De fleste LED'er i dag er afhængige af en kombination af Indium Gallium Nitride (IGN) og Yellow Phosphor (YP) emittere for at producere hvidt lys. For nylig har forskere udviklet et billigt, men mere lysstærkt alternativ ved hjælp af siliciumcarbid, hvilket fører til omkostningsreduktion og højere lysstyrke fra LED'er. Siliciumcarbidkeramik er et tredjegenerations halvledermateriale, der ofte bruges til at fremstille dies, diskrete Schottky-dioder og power-MOSFET'er.
Lavere omkostninger
Substratmateriale af siliciumcarbid (SiC) til LED'er kan spare omkostninger på mange måder. For eksempel reducerer det både modulomkostningerne og de samlede systemudgifter, samtidig med at det reducerer energiforbruget og vægten af enhederne. Desuden giver SiC bedre varmeafledning, hvilket muliggør højere strømtætheder med lavere effekttab i LED-drift.
SiC er en fremragende isolator, hvilket betyder, at det ikke absorberer lys, som safir gør, når det bruges til traditionelle LED-enheder. Det gør det meget bedre egnet til højeffekt-LED'er, der skal generere og sprede varme på samme tid, og det gør det muligt at fremstille vertikalt strukturerede LED'er uden brug af både n-type og p-type elektroder, som det normalt er nødvendigt med traditionelle horisontale safirbaserede modeller.
Efterhånden som elektrificeringen breder sig til biler, elektriske transmissionssystemer og solenergifelter, skal effektelektronikken opfylde højere ydeevneegenskaber end nogensinde før. Siliciumcarbid tilbyder forskellige ønskværdige kvaliteter i forhold til silicium (Si), herunder øgede skiftehastigheder og overlegen termisk ydeevne sammenlignet med dets siliciummodstykker - disse fordele resulterer i bedre effektivitet, effekttæthed og reduktion af elektromagnetisk interferens (EMI) til mere avancerede produkter designet til mange forskellige anvendelser.
Forbedret effektivitet
Keramisk siliciumcarbid er banebrydende for en revolution inden for effektelektronik. Som tredjegenerations halvledermateriale skiller det sig ud ved sin overlegne ydeevne i forhold til silicium. Det omfatter højere elektriske feltniveauer, varmeledningsevne, elektronmætningshastigheder og strålingsmodstand sammenlignet med dets modstykke - for ikke at nævne dets bredere båndgab, der gør det muligt at arbejde ved højere frekvenser og spændinger.
Siliciumcarbid har en usædvanlig høj varmeledningsevne til brug i LED'er - tre gange større end silicium. Desuden har det et lavt gittermisforhold til galliumnitrid, hvilket gør det velegnet som en ny generation af substratmateriale til LED'er.
LED-industrien oplever i øjeblikket et paradigmeskift, da mere effektive enheder erstatter mindre effektive i applikationer som elektriske køretøjer og vedvarende energisystemer. Denne overgang har særlig betydning for applikationer med høj effekt som f.eks. drivsystemer som disse.
For at opnå disse resultater skal enhederne både have en forlænget levetid og øget effektivitet - hvilket betyder, at de skal holde hele dagen og samtidig producere flere lumen end deres forgængere. For at nå dette mål skal der bruges højtydende materialer.
SiC-substrater er ideelle til LED'er, fordi de har den længste levetid på markedet og giver maksimal effektivitet i lumen pr. watt. Cree rapporterer, at deres XHP-lysdioder har en L70-klassificering på 35.000 timer med en effektivitet på 112 lumen/W, mens de afgiver 16,1 W i samlet afgivelse.
Bredere vifte af anvendelsesmuligheder
Forskere fra LiU og DTU har taget et vigtigt skridt fremad i udviklingen af keramiske lysdioder af siliciumcarbid. Ved hjælp af to trin - doping og ændring af overfladestrukturen - er det lykkedes forskerne at producere hvidt lys gennem en kombination. Det giver mulighed for et større udvalg af farvetoner end med blå-emitterende galliumnitrid-LED'er, som i øjeblikket findes i mange produkter som bærbare computere, smartphones og tablet-computere.
Forskerne skabte lyse Si NCs/SiC multilayer LED'er med emissionstoppe ved 500, 750 og 800 nanometer for at øge LED-intensiteten. P-doping viste sig at øge denne intensitet betydeligt ved at passivere hængende Si-bindinger i flerlagene og øge den radiative rekombination; dens effekt kan dog mindskes, når dopingkoncentrationen bliver for høj.
Der er et tilnærmelsesvist lineært forhold mellem den integrerede EL-strømtæthed og den anvendte spænding, hvilket tyder på, at transportmekanismerne i denne enhed overvejende er drevet af FN-tunnelering. Ingeniører, der bruger LED'er designet af LED-producenter, vil kunne skabe enheder med reduceret strømforbrug, hvilket fører til mindre og mere energieffektive belysningsarmaturer. LED'er kan også hjælpe teleoperatører med at konvertere NIR-lysbølgelængder til telebølgelængder, som de kan bruge; desuden kan denne teknologi være nyttig til højhastigheds-fotoniske anvendelser, der har brug for NIR-stråling, som f.eks. medicinsk diagnostik/billeder eller optisk datakommunikation.