Kleurmenging is het proces waarbij twee of meer kleuren worden gecombineerd:rood en groen maken geel, blauw en rood maken paars, rood en groen en blauw maken wit. Dit proces van het mengen van kleuren vormt de basis voor de toekomst van solid-state verlichting. Terwijl momenteel wit licht wordt bereikt door fosfor-down-conversie, heeft LED-kleurenmenging feitelijk een hogere theoretische maximale efficiëntie, wat nodig is om de DOE-doelstellingen voor energie-efficiëntie voor 2035 te bereiken.

Ondanks de potentiële efficiëntie van LED-bronnen met gemengde kleuren bestaat er één belangrijke uitdaging:groen. De "groene kloof" wordt beschreven als het ontbreken van geschikte groene LED's. De huidige groene LED's zijn gemaakt van het modernste hexagonale III-nitride, maar bereiken slechts een derde van de efficiëntiedoelstellingen die zijn vastgelegd in de DOE-routekaart voor 2035.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois een potentieel pad gevonden om de groene kloof te dichten en een groen uitstralende kubieke III-nitride actieve laag te rapporteren met 32% interne kwantumefficiëntie (IQE), wat meer is dan 6 keer hogere efficiëntie dan wat in de literatuur wordt gerapporteerd voor conventionele kubieke actieve lagen.

"Het uiteindelijke doel is om de efficiëntie van de huidige witte lichtgevende diodes te verdrievoudigen. En om dat te doen, moeten we het groene gat in het spectrum opvullen, wat geen gemakkelijke taak is. Je hebt innovatie nodig. En we laten de innovatie uit de materialen zien aan de andere kant door het gebruik van kubieke nitriden', zegt Can Bayram, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek, die dit werk samen met afgestudeerde student Jaekwon Lee leidde.

De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Applied Physics Letters als omslagartikel van een nummer.

Tegenwoordig maken de meest efficiënte witte LED's gebruik van blauwlichtgevende diodes met een zeldzame-aarde-fosforcoating die het blauwe licht omzet in geel, groen en/of rood, waardoor witte verlichting mogelijk is. Dit proces wordt fosfor-down-conversie genoemd. De fosforen zijn lichtgevende materialen die fotonen met hoge energie (zoals blauw licht) kunnen absorberen en omzetten in licht met een lagere energie/langere golflengte (zoals respectievelijk groen, geel en rood).

Dit proces van fosfor-down-conversie heeft echter beperkingen. Het neerwaartse conversieproces is inherent inefficiënt omdat de fotonen met hoge energie energie moeten verliezen (in de vorm van warmte) om te worden omgezet in fotonen met andere energieën. Momenteel genereren witte LED's die in SSL worden gebruikt zeven keer meer warmte dan de lichtopbrengst. Bovendien zijn fosforen chemisch onstabiel en zorgen ze voor aanzienlijke grondstoffen- en verpakkingskosten (ongeveer 20%) voor het LED-apparaat.

Ondanks de toename van de blauwe LED-efficiëntie in de afgelopen jaren, heeft SSL met behulp van fosforen slechts een theoretisch maximaal lichtrendement van 255 lumen/watt (lm/W), terwijl LED-kleurenmenging een theoretisch maximaal lichtrendement van 408 lm/W kan bereiken.

Veel gevestigde benaderingen voor groene LED's worden echter geplaagd door "efficiëntiedaling" bij hoge stroomdichtheden. Het bereiken van een hoog rendement groene emissie is moeilijk geweest met traditioneel hexagonaal III-nitride, zelfs met het verhogen van het indiumgehalte – een kostbaar element dat nodig is voor groene emissie – wat leidt tot hogere defectdichtheden en een afname van de efficiëntie. Dit vormt een fundamentele uitdaging voor de wijdverbreide adoptie van SSL.

"We hebben een manier gevonden om eenfasig kubisch galliumnitride met een lage defectdichtheid en hoge kwaliteit te synthetiseren door gebruik te maken van een fase-overvangtechniek met een aspectverhouding die de Bayram-groep heeft uitgevonden", legt Lee uit. Bij fase-opsluiting met aspectverhouding worden defecten, evenals de ongewenste hexagonale fase, "gevangen" in de groeven, zodat het oppervlak van de actieve laag een perfect kubisch fasemateriaal is. De kubieke en hexagonale fase verwijst naar de manier waarop atomen in de materialen zichzelf organiseren.

Hier ontwikkelden de onderzoekers een kubisch III-nitridesysteem dat zeer efficiënte, droop-vrije groene LED's mogelijk maakt met een IQE van 32% en een indiumgehalte van slechts 16%. Dit is de hoogste gerapporteerde IQE voor kubieke putten met ~30% minder indium dan de hoeveelheid die nodig is in een traditionele zeshoekige put.

Bayram zegt dat de groene kloof kan worden gedicht door kubisch III-nitride te gebruiken, omdat de voordelen van deze materialen voor SSL zowel theoretisch als experimenteel goed gedocumenteerd zijn. De werkelijke efficiëntie van kubieke apparaten wordt belemmerd door de kwaliteit en zuiverheid van de kubieke fase, maar de nieuwe fase-overvangtechniek met aspectverhouding die in dit onderzoek wordt gebruikt, maakt hoogwaardige, zuivere kubieke III-nitride mogelijk.

Meer informatie: J. Lee et al., Groen uitstralende kubieke GaN/In0.16Ga0.84N/GaN kwantumbron met 32% interne kwantumefficiëntie bij kamertemperatuur, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477

Journaalinformatie: Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois