Fejlődés a szilícium-karbid kerámia LED technológiában

A legtöbb LED ma az indium-gallium-nitrid (IGN) és a sárga foszfor (YP) sugárzók kombinációjára támaszkodik a fehér fény előállításához. A közelmúltban a kutatók egy olcsó, de nagyobb fényerősséget kibocsátó alternatívát fejlesztettek ki szilícium-karbid felhasználásával, ami költségcsökkentést és a LED-ek nagyobb fényerősségű kibocsátását eredményezi. A szilícium-karbid kerámia egy harmadik generációs félvezető anyag, amelyet általában süllyesztékek, diszkrét Schottky-diódák és teljesítmény MOSFET-ek gyártására használnak.

Alacsonyabb költségek

A LED-ek szilícium-karbid (SiC) hordozóanyaga többféleképpen is költségmegtakarítást eredményezhet. Például csökkenti mind a modulköltségeket, mind a teljes rendszer költségeit, miközben egyidejűleg csökkenti az eszközök energiafelhasználását és súlyát. A SiC továbbá jobb hőelvezetést biztosít, ami nagyobb áramsűrűséget tesz lehetővé a LED-ek működése során kisebb energiaveszteséggel.

A SiC kiváló szigetelő, ami azt jelenti, hogy nem nyeli el a fényt, mint a hagyományos LED-eszközökben használt zafír. Ezáltal sokkal alkalmasabb a nagy teljesítményű LED-ek számára, amelyeknek egyszerre kell hőt termelniük és eloszlatniuk; továbbá lehetővé teszi a függőlegesen strukturált LED-ek gyártását anélkül, hogy n-típusú és p-típusú elektródákra is szükség lenne, ahogyan az általában a hagyományos, vízszintes zafír alapú modelleknél szükséges.

A villamosítás elterjedésével az autók, az elektromos átviteli rendszerek és a napenergia területén a teljesítményelektronikának minden eddiginél nagyobb teljesítményjellemzőknek kell megfelelnie. A szilíciumkarbid a szilíciummal (Si) szemben számos kívánatos tulajdonságot kínál, többek között nagyobb kapcsolási sebességet és jobb termikus teljesítményt a szilíciumból készült társaihoz képest - ezek az előnyök jobb hatásfokot, teljesítménysűrűséget és az elektromágneses interferencia (EMI) csökkentését eredményezik a számos különböző alkalmazáshoz tervezett fejlettebb termékek számára.

Javított hatékonyság

A szilícium-karbid kerámia úttörő szerepet játszik a teljesítményelektronika forradalmában. Harmadik generációs félvezető anyagként a szilíciummal szembeni kiváló teljesítménye különbözteti meg. Ez magában foglalja az elektromos térbeli áttörési szintek, a hővezetési szintek, az elektron telítési sebességek és a sugárzásállósági értékek magasabb értékeit, mint társainál - nem is beszélve a szélesebb sávszélességről, amely lehetővé teszi, hogy magasabb frekvenciákon és feszültségeken működjön.

A szilícium-karbidnak a LED-ekben való felhasználáshoz kivételesen magas a hővezető képessége - háromszor nagyobb, mint a szilíciumé. Ezen túlmenően alacsony rácshiba eltérés jellemzi a gallium-nitriddel, ami alkalmassá teszi a LED-ek új generációs szubsztrátanyagaként.

A LED-ipar jelenleg paradigmaváltáson megy keresztül, mivel a hatékonyabb eszközök felváltják a kevésbé hatékonyakat olyan alkalmazásokban, mint az elektromos járművek és a megújuló energiarendszerek. Ez az átmenet különösen nagy visszhangot kelt a nagy teljesítményű alkalmazások, például az ilyen meghajtórendszerek esetében.

Ezen eredmények eléréséhez az eszközöknek egyszerre kell hosszabb élettartammal és nagyobb hatékonysággal rendelkezniük - azaz egész nap kitartaniuk kell, miközben több lumen fényt termelnek, mint elődjük. E cél eléréséhez nagy teljesítményű anyagokat kell használni.

A SiC szubsztrátumok ideálisak a LED-ek számára, mivel a piacon a leghosszabb névleges élettartamot kínálják, és maximális lumen/watt hatékonyságot biztosítanak. A Cree jelentése szerint az XHP LED-ek 35 000 órás L70 minősítéssel büszkélkedhetnek, 112 lumen/W hatékonysággal, miközben 16,1 W teljes disszipációval rendelkeznek.

Alkalmazások szélesebb köre

A LiU és a DTU tudósai fontos előrelépést értek el a szilícium-karbid kerámia LED-ek fejlesztése terén. Két lépés - az adalékolás és a felületi struktúra módosítása - kombinációját kihasználva a kutatóknak sikerült fehér fényt előállítaniuk. Ez nagyobb színárnyalat-választékot tesz lehetővé, mint a jelenleg számos termékben - például laptopokban, okostelefonokban és táblagépekben - megtalálható, kéket kibocsátó gallium-nitrid LED-ek esetében.

A kutatók fényes Si NCs/SiC többrétegű LED-eket hoztak létre, amelyek 500, 750 és 800 nanométeres kibocsátási csúcsokkal rendelkeznek a LED intenzitásának növelése érdekében. Megállapították, hogy a P-adalékolás jelentősen növeli ezt az intenzitást azáltal, hogy passziválja a Si lógó kötéseit a többrétegekben és növeli a sugárzási rekombinációt; azonban a hatás mérséklődhet, ha az adalékanyag koncentrációja túl magas lesz.

Az integrált EL-áramsűrűség és az alkalmazott feszültség között közelítőleg lineáris kapcsolat áll fenn, ami arra utal, hogy a hordozótranszport mechanizmusait ebben az eszközben túlnyomórészt az FN-alagútépítés hajtja. A LED-gyártók által tervezett LED-eket használó mérnökök csökkentett energiafogyasztású eszközöket hozhatnak létre, ami kisebb és energiahatékonyabb világítótestekhez vezet. A LED-ek segíthetnek a távközlési szolgáltatóknak abban is, hogy a NIR-fény hullámhosszát az általuk használható távközlési hullámhosszúvá alakítsák át; ez a technológia emellett hasznos lehet a nagy sebességű fotonikai alkalmazásokban, amelyeknek NIR-sugárzásra van szükségük, mint például az orvosi diagnosztika/képalkotás vagy az optikai adatkommunikáció.