Leds met verschillende kleuren nu te maken uit één materiaal

Indium gallium nitride (InGaN) Leds werden meer dan twee decennia geleden voor het eerst gefabriceerd en zijn sindsdien geëvolueerd om steeds kleiner te worden terwijl ze steeds krachtiger, efficiënter en duurzamer worden. Tegenwoordig zijn ze te vinden in een groot aantal industriële en consumententoepassingen, waaronder signalen en optische communicatie en gegevensopslag – en zijn ze van cruciaal belang in veeleisende consumententoepassingen zoals solid-state verlichting, televisietoestellen, laptops, mobiele apparaten, augmented ( AR) en virtual reality (VR) oplossingen.

De steeds groeiende vraag naar dergelijke elektronische apparaten heeft geleid tot meer dan twee decennia van onderzoek naar het bereiken van een hogere optische output, betrouwbaarheid, levensduur en veelzijdigheid van halfgeleiders – wat heeft geleid tot de behoefte aan Leds die verschillende kleuren licht kunnen uitstralen.

Traditioneel wordt InGaN-materiaal gebruikt in moderne leds om paars en blauw licht te genereren, met aluminium gallium indium fosfide (AlGaInP) – een ander type halfgeleider – dat wordt gebruikt om rood, oranje en geel licht te genereren. Dit is te wijten aan de slechte prestaties van InGaN in het rode en amberkleurige spectrum, veroorzaakt door een vermindering van de efficiëntie als gevolg van de hogere vereiste niveaus van indium.

Bovendien blijven InGaN-leds met aanzienlijk hoge indiumconcentraties moeilijk te vervaardigen met conventionele halfgeleiderstructuren. Als zodanig blijft de realisatie van volledig solid-state witlicht-emitterende apparaten – die alle drie de primaire kleuren licht nodig hebben – een onbereikbaar doel.

Onderzoekers van de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (Smart), het Massachusetts Institute of Technology (MIT), National University of Singapore (NUS) en Nanyang Technological University (NTU) hebben nu een praktische methode gewonden om InGaN-kwantumdots met een aanzienlijk hogere indiumconcentratie te fabriceren door gebruik te maken van reeds bestaande defecten in InGaN-materialen. Ze hebben hun bevindingen uiteengezet in een paper getiteld ‘Light-Emitting V-Pits: An Alternative Approach into Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots’, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Photonics.  

In hun proces vormt de samensmelting van zogenaamde V-putten, die het gevolg zijn van natuurlijk bestaande dislocaties in het materiaal, direct indiumrijke kwantumstippen, kleine eilandjes van materiaal die licht met een langere golflengte uitstralen. Door deze structuren op conventionele siliciumsubstraten te laten groeien, wordt de behoefte aan patroonvorming of onconventionele substraten verder geëlimineerd. De nucleatie van stapelfouten – een ander intrinsiek kristaldefect – draagt ​​verder bij aan emissies van langere golflengten. 

De ontdekking is een belangrijke stap voorwaarts in het overwinnen van de verminderde efficiëntie van InGaN bij het produceren van rood, oranje en geel licht. Op zijn beurt kan dit werk een belangrijke rol spelen bij de toekomstige ontwikkeling van micro-led-arrays die uit één enkel materiaal bestaan. 

Co-auteur Silvija Gradečak: "Onze ontdekking zou kunnen leiden tot een snellere uitfasering van niet-vastestofverlichtingsbronnen – zoals gloeilampen – en zelfs de huidige met fosfor gecoate blauwe InGaN-leds met een volledig vastestofkleurmenging oplossing, wat op zijn beurt leidt tot een aanzienlijke vermindering van het wereldwijde energieverbruik."

"Ons werk kan ook bredere implicaties hebben voor de halfgeleider- en elektronica-industrie, aangezien de nieuwe methode die hier wordt beschreven, de standaard productieprocedures van de industrie volgt en op grote schaal kan worden toegepast en geïmplementeerd", zegt onderzoeker Eugene Fitzgerald.