De flesta LED-lampor använder sig idag av en kombination av emittrar av typen Indium Gallium Nitride (IGN) och Yellow Phosphor (YP) för att producera vitt ljus. Nyligen har forskare utvecklat ett billigt men ändå mer ljusstarkt alternativ med hjälp av kiselkarbid, vilket leder till kostnadsminskningar och högre ljusstyrka från lysdioder. Kiselkarbidkeramik är ett tredje generationens halvledarmaterial som vanligen används för att tillverka matriser, diskreta Schottky-dioder och effekt-MOSFET:er.
Lägre kostnader
Substratmaterial av kiselkarbid (SiC) för lysdioder kan spara kostnader på många sätt. Det minskar t.ex. både modulkostnaderna och de totala systemkostnaderna samtidigt som det minskar energianvändningen och vikten på enheterna. Dessutom ger SiC bättre värmeavledning, vilket möjliggör högre strömtäthet med lägre effektförluster i LED-drift.
SiC är en utmärkt isolator, vilket innebär att den inte absorberar ljus som safir gör när den används för traditionella LED-enheter. Det gör den mycket bättre lämpad för högeffektslysdioder som måste generera och sprida värme samtidigt; dessutom möjliggör den tillverkning av vertikalt strukturerade lysdioder utan att behöva både n-typ- och p-typelektroder, vilket vanligtvis är nödvändigt med traditionella horisontella safirbaserade modeller.
I takt med att elektrifieringen sprider sig till bilar, elektriska transmissionssystem och solenergifält måste kraftelektroniken uppfylla högre prestandakrav än någonsin. Kiselkarbid erbjuder flera önskvärda egenskaper jämfört med kisel (Si), bland annat högre kopplingshastigheter och överlägsna termiska prestanda jämfört med motsvarande kiselprodukter - dessa fördelar resulterar i bättre effektivitet, effekttäthet och minskning av elektromagnetiska störningar (EMI) för mer avancerade produkter avsedda för många olika applikationer.
Förbättrad effektivitet
Kiselkarbidkeramik banar väg för en revolution inom kraftelektronik. Som ett tredje generationens halvledarmaterial utmärker det sig genom sin överlägsna prestanda jämfört med kisel. Detta inkluderar högre elektriska fältnivåer, värmeledningsförmåga, elektronmättnadsgrad och strålningsresistens jämfört med sin motsvarighet - för att inte tala om det bredare bandgapet som gör att det kan arbeta vid högre frekvenser och spänningar.
Kiselkarbid har en exceptionellt hög värmeledningsförmåga för användning i lysdioder - tre gånger högre än kisel. Dessutom har den låg gittermissmatchning med galliumnitrid, vilket gör den lämplig som en ny generation substratmaterial för lysdioder.
LED-industrin genomgår för närvarande ett paradigmskifte i takt med att mer effektiva enheter ersätter mindre effektiva i applikationer som elfordon och system för förnybar energi. Denna övergång har särskild betydelse för högeffektsapplikationer som drivsystem som dessa.
För att uppnå dessa resultat måste produkterna både ha en förlängd livslängd och ökad effektivitet - vilket innebär att de måste hålla hela dagen samtidigt som de producerar fler lumen än sina föregångare. För att uppnå detta mål måste högpresterande material användas.
SiC-substrat är idealiska för lysdioder eftersom de har den längsta nominella livslängden på marknaden och ger maximal effektivitet i lumen per watt. Cree rapporterar att dess XHP LED har en L70-klassificering på 35.000 timmar med 112 lumen/W-effektivitet samtidigt som de släpper ut 16,1 W i total dissipation.
Bredare utbud av applikationer
Forskare från LiU och DTU har tagit ett viktigt steg framåt i utvecklingen av keramiska lysdioder av kiselkarbid. Genom att använda två steg - dopning och modifiering av ytstrukturen - lyckades forskarna producera vitt ljus genom en kombination. Detta möjliggör ett större utbud av färgtoner än med blåemitterande lysdioder av galliumnitrid som för närvarande finns i många produkter som bärbara datorer, smartphones och surfplattor.
Forskarna skapade ljusstarka Si NCs/SiC multilayer LED med emissionstoppar vid 500, 750 och 800 nanometer för att öka LED-intensiteten. P-dopning visade sig avsevärt öka denna intensitet genom att passivera Si dinglande bindningar inom flerskikt och öka radiativ rekombination; dess effekt kan dock mildras när dopningskoncentrationen blir överdriven.
Det finns ett ungefärligt linjärt samband mellan integrerad EL-strömdensitet och applicerad spänning, vilket tyder på att transportmekanismerna för bärare i denna enhet huvudsakligen drivs av FN-tunnling. Ingenjörer som använder lysdioder som utformats av LED-tillverkare kommer att kunna skapa enheter med minskad strömförbrukning, vilket leder till mindre och mer energieffektiva belysningsarmaturer. Lysdioder kan också hjälpa telekomoperatörer att omvandla NIR-ljusvåglängder till telekomvåglängder som de kan använda; dessutom kan denna teknik vara användbar för höghastighetsfotoniska applikationer som behöver NIR-strålning, t.ex. medicinsk diagnostik/avbildning eller optisk datakommunikation.