Onderzoekers ontdekken oorzaak van ‘efficiency droop’ in led’s

Onderzoekers van het Amerikaanse Rensselaer Polytechnic Institute hebben het mechanisme ontdekt achter een probleem met ledlampen: door een effect dat ‘efficiency droop’ wordt genoemd, verliezen led’s tot 20% van hun rendement als ze worden blootgesteld aan hogere elektrische stromen. Efficiency droop werd voor het eerst geconstateerd in 1999 en het is een van de belangrijkste obstakels voor de ontwikkeling van ledverlichting voor situaties waar zuinige, veelzijdige en heldere lichtbronnen nodig zijn. Bijvoorbeeld in huis.

De onderzoekers identificeerden een fenomeen dat ‘elektronenlek’ wordt genoemd als de boosdoener. Zij stelden het eerste uitgebreide model op voor het mechanisme achter efficiency droop. Dat kan leiden tot nieuwe technologieën om het probleem op te lossen, zegt professor E. Fred Schubert, hoogleraar ‘toekomstige chips’ en oprichter van het Smart Lighting Engineering Research Center, van de Rensselaer universiteit.

schubert

 

Professor E. Fred Schubert: ‘Ik denk dat we de oorzaken nu beter begrijpen’.

  

Strategie

"In het verleden hebben wetenschappers en ledfabrikanten al resultaten geboekt bij het reduceren van de efficiency droop, maar dat gebeurde vaak zonder dat men begreep wat de oorzaak van de droop is", zegt Schubert. "Ik denk dat we de oorzaken nu beter begrijpen en dat biedt kansen om het met specifieke strategieën aan te pakken."

Lichtgevende dioden maken gebruik van het feit dat hoog-energetische elektronen fotonen afgeven, dus lichtdeeltjes, als ze zich verplaatsen van een hoger naar een lager energieniveau. De led is samengesteld uit drie delen: een n-type kristaldeel dat vol zit met negatief geladen elektronen, een p-type kristaldeel dat veel postitief geladen gaten bevat en een deel daartussenin, dat de ‘kwantumbron’ of het ‘actieve gebied’ wordt genoemd.

led

 De led heeft een p-gedoteerde laag en n-laag, met daartussen het actieve gebied.

Doctoraal student David Meyaard legt uit dat vanuit het n-type materiaal elektronen worden geïnjecteerd in het actieve gebied, terwijl in datzelfde gebied gaten worden geïnjecteerd vanuit het p-materiaal. De elektronen en gaten bewegen in tegengestelde richting en als zij elkaar in het actieve gebied tegenkomen recombineren ze. Daarbij gaat het elektron over in een lagere energietoestand en geeft het een foton af. Jammer genoeg blijkt dat als er meer stroom wordt toegevoerd, de led zijn rendement verliest en evenredig met de stroomtoename minder licht produceert.

meyaard

 David Meyaard: ‘Onomstotelijk bewezen’

Meyaard zegt dat het team ontdekte dat er zich onder het ‘hoge-stroom-regime’ een elektrisch veld opbouwt binnen het p-type gebied van de diode. Daardoor kunnen elektronen ontsnappen uit het actieve gebied, waar ze anders zouden recombineren met gaten en licht zouden afgeven. Dit fenomeen, elektronenlek genoemd, is ruim vijf jaar geleden voor het eerst gemeld, maar volgens Meyaard is nu voor het eerst onomstotelijk bewezen dat het de oorzaak is van de efficiency droop. Meyaard zegt dat het team het elektrisch veld kan identificeren als het zich begint op te bouwen en te zien is dat – als een voldoende sterk veld is opgebouwd – de elektronen uit het actieve gebied ontsnappen. "We meten een uitstekende correlatie tussen de aanzet van de veldopbouw en de aanzet van de droop. Dat is duidelijk bewijs dat elektronenlek het gezochte mechanisme is; en dat kunnen we kwantitatief beschrijven. En dat was vroeger niet mogelijk, omdat er geen theoretisch model was van de manier waarop elektronenlek optreedt."

correlatie 

Een uitstekende correlatie tussen de aanzet van de veldopbouw en de aanzet van de droop.

Asymmetrie

Schubert zegt dat het onderzoek laat zien dat, omdat elektronen een grotere mobiliteit hebben dan gaten, de diode is gemaakt van verschillende typen ladingdragers. "Als de gaten en de elektronen identieke eigenschappen zouden hebben, was er symmetrie. Beide zouden elkaar in het midden, waar de kwantumbron is, ontmoeten en recombineren. In plaats daarvan hebben we een materiaalsysteem waarin de elektronen veel mobieler zijn dan de gaten. En omdat ze zo beweeglijk zijn, diffunderen ze makkelijker en reageren ze ook makkelijker op een elektrisch veld. Door die asymmetrie of dispariteit is er een neiging dat elektronen ‘overschieten’ en verdwijnen uit de kwantumbron. En dus komen zij geen gaten tegen in het actieve gebied… en dus geven ze geen licht."

Meyaard en Schubert zeggen dat het team zich nu gaat bezighouden met het ontwikkelen van een nieuwe structuur voor led’s, op basis van hun nieuwe model. Ze publiceerden de resultaten van hun onderzoek in Applied Physics Letters, in het artikel "Identifying the cause of the efficiency droop in GaInN light-emitting diodes by correlating the onset of high injection with the onset of the efficiency droop."