Lukning af det grønne hul:Et kubisk III-nitrid aktivt lag med 32 % intern kvanteeffektivitet

Farveblanding er processen med at kombinere to eller flere farver:rød og grøn gør gul, blå og rød gør lilla, rød og grøn og blå gør hvid. Denne proces med at blande farver er grundlaget for fremtiden for solid-state belysning. Mens hvidt lys i øjeblikket opnås ved nedkonvertering af fosfor, har LED-farveblanding faktisk en højere teoretisk maksimal effektivitet, som er nødvendig for at nå 2035 DOE energieffektivitetsmålene.

På trods af den potentielle effektivitet af farveblandede LED-kilder, eksisterer der én væsentlig udfordring:grøn. Det "grønne hul" beskrives som manglen på passende grønne lysdioder. De nuværende grønne LED'er er lavet af avanceret hexagonal III-nitrid, men når kun en tredjedel af effektivitetsmålene, der er fastsat i 2035 DOE-køreplanen.

I et nyt studie har forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign fundet en potentiel vej til at udfylde det grønne hul og rapportere om et aktivt lag med grøn-emitterende kubisk III-nitrid med 32 % intern kvanteeffektivitet (IQE), hvilket er mere end 6 gange højere effektivitet end hvad der er rapporteret i litteraturen for konventionelle kubiske aktive lag.

"Det ultimative mål er at tredoble effektiviteten af ​​nutidens hvide lysdioder. Og for at gøre det skal vi udfylde det grønne hul i spektret, hvilket ikke er nogen let opgave. Du har brug for innovation. Og vi viser innovationen fra materialerne side ved at bruge kubiske nitrider," siger professor i elektro- og computerteknik Can Bayram, der ledede dette arbejde sammen med kandidatstuderende Jaekwon Lee.

Resultaterne af denne forskning blev for nylig offentliggjort i Applied Physics Letters som omslagsartikel.

I dag bruger de mest effektive hvide LED'er blå lysdioder med en sjælden jordart fosforbelægning, der omdanner det blå lys til gult, grønt og/eller rødt, hvilket muliggør hvid belysning. Denne proces kaldes phosphor down-konvertering. Fosforen er selvlysende materialer, der kan absorbere og omdanne højenergifotoner (som blåt lys) til lys med lavere energi/længere bølgelængde (såsom henholdsvis grønt, gult og rødt).

Denne proces med fosfornedkonvertering har imidlertid begrænsninger. Nedkonverteringsprocessen er i sagens natur ineffektiv, fordi højenergifotoner skal miste energi (i form af varme) for at blive omdannet til fotoner af andre energier. I øjeblikket genererer hvide LED'er, der bruges i SSL, syv gange mere varme end lysoutput. Desuden er fosfor kemisk ustabile og tilføjer betydelige råmateriale- og emballeringsomkostninger (med ca. 20%) til LED-enheden.

På trods af stigningen i blå LED-effektivitet i de senere år, har SSL, der anvender fosfor kun en teoretisk maksimal lysudbytte på 255 lumen/watt (lm/W), hvorimod LED-farveblanding kan opnå en teoretisk maksimal lysudbytte på 408 lm/W.

Imidlertid er mange etablerede tilgange til grønne LED'er plaget af "effektivitetsfald" ved høje strømtætheder. Det har været vanskeligt at opnå højeffektiv grøn emission med traditionel hexagonal III-nitrid, selv med forøgelse af indiumindholdet - et dyrt element, der kræves til grøn emission - hvilket fører til højere defekttætheder og effektivitetsfald. Dette udgør en grundlæggende udfordring for den udbredte anvendelse af SSL.

"Vi fandt en måde at syntetisere en enkeltfaset kubisk galliumnitrid med lav defekttæthed af høj kvalitet ved at bruge en faseindfangningsteknik for aspektforhold, som Bayram-gruppen har opfundet," forklarer Lee. I aspektforhold faseindfangning er defekter såvel som den uønskede sekskantede fase "fanget" inde i rillerne, således at overfladen af ​​det aktive lag er et perfekt kubisk fasemateriale. Den kubiske og sekskantede fase refererer til den måde, atomer i materialerne organiserer sig på.

Her udviklede forskerne et kubisk III-nitrid-system, der kan muliggøre højeffektive, faldfri grønne lysdioder med et 32 ​​% IQE og kun 16 % indiumindhold. Dette er den højeste rapporterede IQE for kubiske brønde med ~30 % mindre indium end den nødvendige mængde i en traditionel sekskantet brønd.

Bayram siger, at det grønne hul kan lukkes ved at bruge kubisk III-nitrid, da fordelene ved disse materialer til SSL er veldokumenterede både teoretisk og eksperimentelt. Den faktiske effektivitet af kubiske enheder er blevet hæmmet af kvaliteten og renheden af ​​den kubiske fase, men den nye faseindfangningsteknik i aspektforholdet, der anvendes i denne forskning, muliggør rent kubisk III-nitrid af høj kvalitet.

Flere oplysninger: J. Lee et al., Grøn-emitterende kubisk GaN/In0.16Ga0.84N/GaN kvantebrønd med 32 % intern kvanteeffektivitet ved stuetemperatur, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477

Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering