Piikarbidikeraamisen LED-teknologian edistysaskeleet

Useimmat LEDit käyttävät nykyään valkoisen valon tuottamiseen indiumgalliumnitridin (IGN) ja keltaisen fosforin (YP) emitterien yhdistelmää. Tutkijat ovat hiljattain kehittäneet edullisen mutta valovoimaa lisäävän vaihtoehdon, jossa käytetään piikarbidia, mikä alentaa kustannuksia ja lisää ledien valovoimaa. Piikarbidikeramiikka on kolmannen sukupolven puolijohdemateriaali, jota käytetään yleisesti diesien, erillisten Schottky-diodien ja teho-MOSFETien valmistukseen.

Pienemmät kustannukset

LEDien piikarbidi (SiC) -alustamateriaali voi säästää kustannuksia monin tavoin. Se esimerkiksi alentaa sekä moduulikustannuksia että järjestelmän kokonaiskustannuksia ja vähentää samalla laitteiden energiankulutusta ja painoa. Lisäksi SiC tarjoaa paremman lämmöntuottokyvyn, mikä mahdollistaa suuremmat virrantiheydet ja pienemmät tehohäviöt LEDien toiminnassa.

SiC on erinomainen eriste, joten se ei absorboi valoa kuten safiiri perinteisissä LED-laitteissa. Tämän vuoksi se soveltuu paljon paremmin suuritehoisille LEDeille, joiden on tuotettava ja hajotettava lämpöä samanaikaisesti; lisäksi se mahdollistaa pystysuoraan rakenteeltaan pystysuorien LEDien valmistuksen ilman, että tarvitaan sekä n- että p-tyypin elektrodeja, kuten perinteisissä vaakasuorissa safiiripohjaisissa malleissa on yleensä tarpeen.

Kun sähköistyminen leviää autoihin, sähkönsiirtojärjestelmiin ja aurinkoenergiakenttiin, tehoelektroniikan on täytettävä entistä paremmat suorituskykyominaisuudet. Piikarbidi tarjoaa piihin (Si) verrattuna useita toivottavia ominaisuuksia, kuten suuremmat kytkentänopeudet ja paremman lämpökäyttäytymisen verrattuna piitä sisältäviin vastineisiin - nämä edut johtavat parempaan hyötysuhteeseen, tehotiheyteen ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vähentämiseen moniin erilaisiin sovelluksiin suunnitelluissa kehittyneemmissä tuotteissa.

Tehokkuuden parantaminen

Piikarbidikeramiikka on uraauurtava vallankumous tehoelektroniikassa. Kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalina se erottuu edukseen piitä paremman suorituskyvyn ansiosta. Siihen kuuluvat korkeammat läpilyöntisähkökentän tasot, lämmönjohtavuuden tasot, elektronien kyllästymisasteet ja säteilynkestävyysluokat verrattuna vastineeseensa - puhumattakaan sen laajemmasta kaistanleveydestä, jonka ansiosta se voi toimia korkeammilla taajuuksilla ja jännitteillä.

Piikarbidin lämmönjohtavuus on poikkeuksellisen korkea LEDeissä käytettäväksi - kolme kertaa suurempi kuin piin. Lisäksi sillä on alhainen ristikkoepäsuhde galliumnitridin kanssa, joten se soveltuu uuden sukupolven substraattimateriaaliksi LEDeihin.

LED-ala kokee parhaillaan paradigman muutosta, kun tehokkaammat laitteet korvaavat vähemmän tehokkaat sähköajoneuvojen ja uusiutuvien energialähteiden kaltaisissa sovelluksissa. Tämä muutos koskee erityisesti suuritehoisia sovelluksia, kuten tällaisia ajojärjestelmiä.

Näiden tulosten saavuttamiseksi laitteilla on oltava sekä pidennetty käyttöikä että parannettu tehokkuus - eli niiden on kestettävä koko päivän ja tuotettava samalla enemmän lumenia kuin edeltäjänsä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on käytettävä tehokkaita materiaaleja.

SiC-substraatit ovat ihanteellisia LEDeille, koska ne tarjoavat markkinoiden pisimmän mitoitetun käyttöiän ja maksimaalisen hyötysuhteen lumenia wattia kohden. Cree ilmoittaa, että sen XHP-LEDien L70-luokitus on 35 000 tuntia, ja niiden teho on 112 lumenia/W, kun kokonaishäviö on 16,1 W.

Laajempi valikoima sovelluksia

LiU:n ja DTU:n tutkijat ovat saavuttaneet merkittävän edistysaskeleen piikarbidikeraamisten ledien kehittämisessä. Hyödyntämällä kahta vaihetta - dopingia ja pintarakenteen muokkausta - tutkijat onnistuivat tuottamaan valkoista valoa yhdistelmällä. Tämä mahdollistaa laajemman värisävyjen valikoiman kuin sinisävyisillä galliumnitridiledeillä, joita nykyisin käytetään monissa tuotteissa, kuten kannettavissa tietokoneissa, älypuhelimissa ja taulutietokoneissa.

Tutkijat loivat kirkkaita Si NCs/SiC-monikerros-LEDejä, joiden emissiohuiput ovat 500, 750 ja 800 nanometrin kohdalla LEDin voimakkuuden lisäämiseksi. P-dopingin havaittiin lisäävän tätä intensiteettiä merkittävästi passivoimalla Si:n roikkuvat sidokset monikerroksissa ja lisäämällä säteilevää rekombinaatiota; sen vaikutus voi kuitenkin heikentyä, kun dopingainepitoisuus kasvaa liian suureksi.

Integroidun EL-virtatiheyden ja sovelletun jännitteen välillä on likimain lineaarinen suhde, mikä viittaa siihen, että kantoaineiden siirtomekanismit tässä laitteessa perustuvat pääasiassa FN-tunnelointiin. Insinöörit, jotka käyttävät LED-valmistajien suunnittelemia LED-valoja, voivat luoda laitteita, joiden virrankulutus on pienempi, mikä johtaa pienempiin ja energiatehokkaampiin valaisimiin. LEDit voivat myös auttaa teleoperaattoreita muuntamaan NIR-valon aallonpituuksia televiestinnän aallonpituuksiksi niiden käyttöön; lisäksi tämä tekniikka voisi olla hyödyllinen nopeissa fotonisovelluksissa, jotka tarvitsevat NIR-säteilyä, kuten lääketieteellisessä diagnostiikassa/kuvantamisessa tai optisessa tiedonsiirrossa.