Vooruitgang in keramische LED-technologie met siliciumcarbide

De meeste LED's maken tegenwoordig gebruik van een combinatie van Indium Gallium Nitride (IGN) en Yellow Phosphor (YP) emitters om wit licht te produceren. Onlangs hebben onderzoekers een goedkoop alternatief ontwikkeld dat toch meer licht afgeeft door gebruik te maken van siliciumcarbide, wat leidt tot kostenverlaging en een hogere lichtopbrengst van LED's. Siliciumcarbide keramiek is een halfgeleidermateriaal van de derde generatie dat vaak wordt gebruikt om matrijzen, discrete Schottky diodes en power MOSFET's te maken.

Lagere kosten

Siliciumcarbide (SiC) substraatmateriaal voor LED's kan op veel manieren kosten besparen. Het verlaagt bijvoorbeeld zowel de kosten van modules als de totale systeemkosten en vermindert tegelijkertijd het energieverbruik en het gewicht van apparaten. Bovendien zorgt SiC voor een betere warmteafvoer waardoor hogere stroomdichtheden met minder vermogensverliezen in LED's mogelijk zijn.

SiC is een uitstekende isolator, wat betekent dat het geen licht absorbeert zoals saffier doet bij gebruik voor traditionele LED-apparaten. Dit maakt het veel geschikter voor LED's met een hoog vermogen die tegelijkertijd warmte moeten genereren en afvoeren; bovendien kunnen er verticaal gestructureerde LED's mee worden gemaakt zonder dat er zowel n-type als p-type elektroden nodig zijn, zoals meestal nodig is bij traditionele horizontale modellen op basis van saffier.

Nu elektrificatie zich uitbreidt naar auto's, elektrische transmissiesystemen en zonne-energievelden, moet vermogenselektronica aan hogere prestatie-eigenschappen dan ooit voldoen. Siliciumcarbide biedt verschillende wenselijke kwaliteiten ten opzichte van silicium (Si), waaronder hogere schakelsnelheden en superieure thermische prestaties in vergelijking met siliciumtegenhangers. Deze voordelen resulteren in een betere efficiëntie, vermogensdichtheid en vermindering van elektromagnetische interferentie (EMI) voor geavanceerdere producten die voor veel verschillende toepassingen zijn ontworpen.

Verbeterde efficiëntie

Siliciumcarbide keramiek zorgt voor een revolutie in de vermogenselektronica. Als derde generatie halfgeleidermateriaal onderscheidt het zich door superieure prestaties ten opzichte van silicium. Dit omvat hogere niveaus van elektrische doorslag, thermische geleidbaarheid, verzadigingssnelheid van elektronen en stralingsweerstand in vergelijking met zijn tegenhanger - om nog maar te zwijgen van de bredere bandkloof waardoor het kan werken bij hogere frequenties en spanningen.

Siliciumcarbide heeft een uitzonderlijk hoog warmtegeleidingsvermogen voor gebruik in LED's - drie keer hoger dan silicium. Bovendien heeft het een lage roosterafwijking met galliumnitride, waardoor het geschikt is als een nieuwe generatie substraatmateriaal voor LED's.

De LED-industrie maakt momenteel een paradigmaverschuiving door nu efficiëntere apparaten de minder efficiënte vervangen in toepassingen zoals elektrische voertuigen en systemen voor hernieuwbare energie. Deze overgang heeft een bijzondere weerklank voor toepassingen met een hoog vermogen zoals deze aandrijfsystemen.

Om deze resultaten te bereiken, moeten apparaten zowel een langere levensduur als een hogere efficiëntie hebben - wat betekent dat ze de hele dag moeten meegaan en tegelijkertijd meer lumen moeten produceren dan hun voorganger. Om dit doel te bereiken, moeten hoogwaardige materialen worden gebruikt.

SiC-substraten zijn ideaal voor LED's omdat ze de langste nominale levensduur op de markt bieden en maximale lumen per watt efficiëntie leveren. Cree meldt dat zijn XHP LED's een L70-classificatie hebben van 35.000 uur met een efficiëntie van 112 lumen/W bij een totale dissipatie van 16,1 W.

Breder scala aan toepassingen

Wetenschappers van LiU en DTU hebben een belangrijke stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van keramische LED's van siliciumcarbide. Door gebruik te maken van twee stappen - doping en modificatie van de oppervlaktestructuur - zijn de onderzoekers erin geslaagd om door combinatie wit licht te produceren. Dit maakt een groter scala aan kleurtinten mogelijk dan met blauw uitstralende galliumnitride LED's die momenteel in veel producten zoals laptops, smartphones en tabletcomputers te vinden zijn.

Onderzoekers creëerden heldere Si NCs/SiC meerlaagse LED's met emissiepieken bij 500, 750 en 800 nanometer om de LED-intensiteit te verhogen. P-doping bleek deze intensiteit aanzienlijk te verhogen door de bungelende Si bindingen binnen de multilagen te passiveren en de radiatieve recombinatie te verhogen; het effect kan echter worden afgezwakt wanneer de concentratie van het doteringsmiddel te hoog wordt.

Er bestaat bij benadering een lineair verband tussen de geïntegreerde EL-stroomdichtheid en de toegepaste spanning, wat suggereert dat de mechanismen voor dragertransport in dit apparaat voornamelijk worden aangedreven door FN-tunneling. Ingenieurs die LED's gebruiken die zijn ontworpen door LED-fabrikanten zullen apparaten kunnen maken met een lager stroomverbruik, wat zal leiden tot kleinere en energiezuinigere verlichtingsarmaturen. LED's kunnen telecomoperators ook helpen om NIR-lichtgolflengten om te zetten in telecomgolflengten voor gebruik door hen; bovendien zou deze technologie nuttig kunnen zijn voor snelle fotonische toepassingen die NIR-straling nodig hebben, zoals medische diagnostiek/beeldvorming of optische datacommunicatie.