Fremskritt innen keramisk LED-teknologi med silisiumkarbid

De fleste lysdioder bruker i dag en kombinasjon av indium-galliumnitrid (IGN) og gul fosfor (YP) for å produsere hvitt lys. Nylig har forskere utviklet et rimeligere, men mer lyssterkt alternativ ved hjelp av silisiumkarbid, noe som har ført til lavere kostnader og høyere lysstyrke fra lysdioder. Keramisk silisiumkarbid er et tredjegenerasjons halvledermateriale som vanligvis brukes til å produsere matriser, diskrete Schottky-dioder og effekt-MOSFET-er.

Lavere kostnader

Silisiumkarbid (SiC) som substratmateriale for lysdioder kan spare kostnader på mange måter. Det reduserer for eksempel både modulkostnadene og de samlede systemutgiftene, samtidig som det reduserer energiforbruket og vekten på enhetene. I tillegg gir SiC bedre varmespredning, noe som muliggjør høyere strømtetthet med lavere effekttap i LED-drift.

SiC er en utmerket isolator, noe som betyr at det ikke absorberer lys slik safir gjør når det brukes til tradisjonelle LED-enheter. Dette gjør det mye bedre egnet for høyeffekts-LED-er som må generere og spre varme samtidig, og det gjør det også mulig å produsere vertikalt strukturerte LED-er uten å måtte bruke både n-type- og p-type-elektroder, noe som vanligvis er nødvendig med tradisjonelle horisontale safirbaserte modeller.

Etter hvert som elektrifiseringen sprer seg til biler, elektriske overføringssystemer og solenergifelt, må kraftelektronikken oppfylle høyere ytelseskrav enn noensinne. Silisiumkarbid har en rekke fordelaktige egenskaper i forhold til silisium (Si), blant annet høyere koblingshastigheter og bedre termisk ytelse enn tilsvarende komponenter av silisium - disse fordelene gir bedre effektivitet, effekttetthet og reduksjon av elektromagnetisk interferens (EMI) for mer avanserte produkter som er utviklet for mange ulike bruksområder.

Forbedret effektivitet

Keramisk silisiumkarbid er banebrytende for en revolusjon innen kraftelektronikk. Som tredjegenerasjons halvledermateriale skiller det seg ut fra silisium med sin overlegne ytelse. Det har blant annet høyere elektrisk feltnivå, varmeledningsevne, elektronmetningshastighet og strålingsmotstand sammenlignet med sitt motstykke - for ikke å snakke om det bredere båndgapet som gjør at det kan fungere ved høyere frekvenser og spenninger.

Silisiumkarbid har en eksepsjonelt høy varmeledningsevne for bruk i lysdioder - tre ganger høyere enn silisium. I tillegg har det lav gitterforskjell i forhold til galliumnitrid, noe som gjør det egnet som en ny generasjon substratmateriale for lysdioder.

LED-industrien opplever for tiden et paradigmeskifte i takt med at mer effektive enheter erstatter mindre effektive enheter i bruksområder som elbiler og fornybare energisystemer. Denne overgangen har særlig stor betydning for høyeffektsapplikasjoner som f.eks. slike drivsystemer.

For å oppnå disse resultatene må enhetene ha både forlenget levetid og økt effektivitet - det vil si at de må vare hele dagen samtidig som de produserer flere lumen enn forgjengeren. For å oppnå dette målet må det brukes materialer med høy ytelse.

SiC-substrater er ideelle for lysdioder fordi de har markedets lengste nominelle levetid og gir maksimal lumen per watt effektivitet. Cree rapporterer at XHP-lysdiodene har en L70-klassifisering på 35 000 timer med en effektivitet på 112 lumen/W og en total effekt på 16,1 W.

Et bredere spekter av bruksområder

Forskere fra LiU og DTU har tatt et viktig skritt videre i utviklingen av keramiske lysdioder av silisiumkarbid. Ved hjelp av to trinn - doping og modifisering av overflatestrukturen - klarte forskerne å produsere hvitt lys ved hjelp av en kombinasjon. Dette gir et større spekter av fargetoner enn med blåemitterende lysdioder av galliumnitrid, som i dag finnes i mange produkter som bærbare datamaskiner, smarttelefoner og nettbrett.

Forskerne skapte lyssterke Si NCs/SiC flerlags-LED-er med emisjonstopper ved 500, 750 og 800 nanometer for å øke LED-intensiteten. P-doping viste seg å øke denne intensiteten betydelig ved å passivisere hengende bindinger i Si i flerlagene og øke den radiative rekombinasjonen, men effekten kan bli redusert når dopingkonsentrasjonen blir for høy.

Det er et tilnærmet lineært forhold mellom den integrerte EL-strømtettheten og den påførte spenningen, noe som tyder på at transportmekanismene i denne enheten hovedsakelig er drevet av FN-tunnelering. Ingeniører som bruker lysdioder utviklet av LED-produsenter, vil kunne lage enheter med redusert strømforbruk, noe som kan føre til mindre og mer energieffektive belysningsarmaturer. Lysdioder kan også hjelpe teleoperatører med å konvertere NIR-bølgelengder til telekom-bølgelengder som de kan bruke. I tillegg kan denne teknologien være nyttig for høyhastighets fotoniske applikasjoner som trenger NIR-stråling, for eksempel medisinsk diagnostikk/avbildning eller optisk datakommunikasjon.

nb_NONorwegian
Bla til toppen