Villanyszerelés hírek
A fény nem csak az izzóból jöhet
2021.12.13
Kategória: Hírek
Kutatók felfedezték a fény előállításának új módját a félvezető anyagokban meglévő hibák felhasználásával
Kutatók új módszert fedeztek fel a hosszú hullámhosszú (vörös, narancssárga és sárga) fény előállítására a félvezető anyagok belső hibáinak felhasználásával, amely a kereskedelmi fényforrásokban és kijelzőkben közvetlen fénykibocsátóként alkalmazható.
Ez a technológia előrelépést jelentene a jelenlegi módszerekhez képest, amelyek például foszforokat használnak az egyik fényszín átalakítására egy másik színűvé - állítják a kutatók, akik között az MIT szingapúri kutatóintézete, a Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), az MIT szingapúri kutatóintézete, a Massachusetts Institute of Technology (MIT), a National University of Singapore (NUS) és a Nanyang Technological University (NTU) munkatársaival együtt a Low Energy Electronic Systems (LEES) interdiszciplináris kutatócsoport (IRG) is részt vesz.
Az indium-gallium-nitrid (InGaN) LED-eket, a III. csoportba tartozó nitrid-alapú fénykibocsátó diódák egyik típusát több mint két évtizeddel ezelőtt, a 90-es években állították elő először, és azóta egyre kisebbekké váltak, miközben egyre nagyobb teljesítményűek, hatékonyabbak és tartósabbak lettek. Napjainkban az InGaN LED-ek számtalan ipari és fogyasztói felhasználási területen megtalálhatók, beleértve a jeleket és az optikai kommunikációt és az adattárolást, valamint kritikus szerepet játszanak a nagy igényű fogyasztói alkalmazásokban, például a szilárdtest-világításban, a televíziókészülékekben, a laptopokban, a mobileszközökben, a kiterjesztett (AR) és virtuális valóság (VR) megoldásokban.
Az ilyen elektronikus eszközök iránti egyre növekvő kereslet több mint két évtizedes kutatást indított el a félvezetők nagyobb optikai teljesítményének, megbízhatóságának, hosszú élettartamának és sokoldalúságának elérése érdekében - ami a különböző színű fényt kibocsátani képes LED-ek iránti igényhez vezetett. A modern LED-ekben hagyományosan az InGaN anyagot használják a lila és kék fény előállítására, az alumínium-gallium-indium-foszfidot (AlGaInP) - egy másik típusú félvezetőt - pedig a vörös, narancssárga és sárga fény előállítására. Ennek oka az InGaN gyenge teljesítménye a vörös és a sárga színképben, amit a hatékonyság csökkenése okoz, mivel a szükséges nagyobb mennyiségű indiumtartalom miatt csökken.
Ráadásul az ilyen InGaN LED-eket, amelyekben jelentősen magas az indiumkoncentráció, továbbra is nehéz a hagyományos félvezetőszerkezetekkel előállítani. Így a teljesen szilárdtest fehér fényt kibocsátó eszközök megvalósítása - amelyekhez a fény mindhárom alapszínére szükség van - továbbra is elérhetetlen cél marad.
A kvantumpontok gyártásának új módszerét mutatták be a LED-anyagok belső hibáinak kihasználásával. A piramisok kialakításával az indiumban gazdag kvantumpontokat tartalmazó piramiscsúcsokból lokalizált fényes lumineszcencia árad ki.
E kihívásokkal foglalkozva a SMART kutatói a "Light-Emitting V-Pits: An Alternative Approach towards Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots" című, az ACS Photonics folyóiratban nemrégiben megjelent tanulmányukban. A kutatók tanulmányukban egy olyan gyakorlatias módszert írnak le, amellyel az InGaN anyagokban már meglévő hibák kihasználásával lényegesen nagyobb indiumkoncentrációjú InGaN kvantumpontokat lehet előállítani.
Ebben az eljárásban az anyagban természetesen meglévő diszlokációkból származó, úgynevezett V-pits összeolvadásával közvetlenül indiumban gazdag kvantumpöttyök, kis anyagszigetek jönnek létre, amelyek hosszabb hullámhosszú fényt bocsátanak ki. Azáltal, hogy ezeket a struktúrákat hagyományos szilícium szubsztrátokon növesztik, a mintázásra vagy a nem hagyományos szubsztrátokra nincs szükség. A kutatók nagy térbeli felbontású összetétel-térképezést is végeztek az InGaN kvantumpontokról, ami az első vizuális megerősítést nyújtja morfológiájukról.
A kvantumpontok kialakulása mellett a halmozódási hibák - egy másik belső kristályhiba - magképződése is hozzájárul a hosszabb hullámhosszúságú emisszióhoz.
Jing-Yang Chung, a SMART végzős hallgatója és a tanulmány vezető szerzője elmondta: "A területen dolgozó kutatók évek óta próbálják kezelni az InGaN kvantumkút-szerkezetekben rejlő hibák okozta különböző kihívásokat. Egy újszerű megközelítésben ehelyett egy nanogödör-hibát alakítottunk ki, hogy elérjük a közvetlen InGaN kvantumpont-növekedés platformját. Ennek eredményeképpen munkánk bemutatja a szilícium szubsztrátumok új, indiumban gazdag struktúrákhoz való felhasználásának életképességét, ami a hosszú hullámhosszú InGaN fénykibocsátók alacsony hatásfokával kapcsolatos jelenlegi kihívások kezelése mellett a drága szubsztrátumok problémáját is enyhíti.".
Ily módon a SMART felfedezése jelentős előrelépést jelent az InGaN csökkent hatékonyságának leküzdésében a vörös, narancssárga és sárga fény előállítása során. Ez a munka viszont fontos szerepet játszhat az egyetlen anyagból álló mikro-LED tömbök jövőbeli fejlesztésében.
Dr. Silvija Gradečak, a LEES társszerzője és vezető kutatója hozzátette: "Felfedezésünk a környezetre is hatással van. Ez az áttörés például a nem szilárdtest-alapú fényforrások - például az izzók -, sőt a jelenlegi foszforral bevont kék InGaN LED-ek gyorsabb kivonásához vezethet, teljesen szilárdtest-alapú színkeverő megoldással, ami viszont a globális energiafogyasztás jelentős csökkenéséhez vezethet." - tette hozzá.
"Munkánknak szélesebb körű következményei is lehetnek a félvezető- és elektronikai iparra nézve, mivel az itt leírt új módszer követi a szabványos ipari gyártási eljárásokat, és széles körben elfogadható és nagy léptékben megvalósítható" - mondta Eugene Fitzgerald, a SMART vezérigazgatója és a LEES vezető vezető kutatója. "Makroszinten, az InGaN-alapú energiamegtakarításból eredő potenciális ökológiai előnyök mellett felfedezésünk hozzájárul a szakterület új, hatékony InGaN-szerkezetek folyamatos kutatásához és fejlesztéséhez is."
A kutatást a SMART végzi, és a szingapúri Nemzeti Kutatási Alapítvány (NRF) támogatja a Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) program keretében. A tanulmányhoz a LED-szerkezeteket a SMART egyedülálló létesítményeinek és know-how-jának felhasználásával növesztették, a szerkezeti vizsgálatokat a NUS-ban végezték a legmodernebb, atomi felbontású elektronmikroszkópokkal, míg a nanoszintű optikai vizsgálatokat az MIT-ben és az NTU-ban végezték.
Kutatók új módszert fedeztek fel a hosszú hullámhosszú (vörös, narancssárga és sárga) fény előállítására a félvezető anyagok belső hibáinak felhasználásával, amely a kereskedelmi fényforrásokban és kijelzőkben közvetlen fénykibocsátóként alkalmazható.
Ez a technológia előrelépést jelentene a jelenlegi módszerekhez képest, amelyek például foszforokat használnak az egyik fényszín átalakítására egy másik színűvé - állítják a kutatók, akik között az MIT szingapúri kutatóintézete, a Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), az MIT szingapúri kutatóintézete, a Massachusetts Institute of Technology (MIT), a National University of Singapore (NUS) és a Nanyang Technological University (NTU) munkatársaival együtt a Low Energy Electronic Systems (LEES) interdiszciplináris kutatócsoport (IRG) is részt vesz.
Az indium-gallium-nitrid (InGaN) LED-eket, a III. csoportba tartozó nitrid-alapú fénykibocsátó diódák egyik típusát több mint két évtizeddel ezelőtt, a 90-es években állították elő először, és azóta egyre kisebbekké váltak, miközben egyre nagyobb teljesítményűek, hatékonyabbak és tartósabbak lettek. Napjainkban az InGaN LED-ek számtalan ipari és fogyasztói felhasználási területen megtalálhatók, beleértve a jeleket és az optikai kommunikációt és az adattárolást, valamint kritikus szerepet játszanak a nagy igényű fogyasztói alkalmazásokban, például a szilárdtest-világításban, a televíziókészülékekben, a laptopokban, a mobileszközökben, a kiterjesztett (AR) és virtuális valóság (VR) megoldásokban.
Az ilyen elektronikus eszközök iránti egyre növekvő kereslet több mint két évtizedes kutatást indított el a félvezetők nagyobb optikai teljesítményének, megbízhatóságának, hosszú élettartamának és sokoldalúságának elérése érdekében - ami a különböző színű fényt kibocsátani képes LED-ek iránti igényhez vezetett. A modern LED-ekben hagyományosan az InGaN anyagot használják a lila és kék fény előállítására, az alumínium-gallium-indium-foszfidot (AlGaInP) - egy másik típusú félvezetőt - pedig a vörös, narancssárga és sárga fény előállítására. Ennek oka az InGaN gyenge teljesítménye a vörös és a sárga színképben, amit a hatékonyság csökkenése okoz, mivel a szükséges nagyobb mennyiségű indiumtartalom miatt csökken.
Ráadásul az ilyen InGaN LED-eket, amelyekben jelentősen magas az indiumkoncentráció, továbbra is nehéz a hagyományos félvezetőszerkezetekkel előállítani. Így a teljesen szilárdtest fehér fényt kibocsátó eszközök megvalósítása - amelyekhez a fény mindhárom alapszínére szükség van - továbbra is elérhetetlen cél marad.
A kvantumpontok gyártásának új módszerét mutatták be a LED-anyagok belső hibáinak kihasználásával. A piramisok kialakításával az indiumban gazdag kvantumpontokat tartalmazó piramiscsúcsokból lokalizált fényes lumineszcencia árad ki.
E kihívásokkal foglalkozva a SMART kutatói a "Light-Emitting V-Pits: An Alternative Approach towards Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots" című, az ACS Photonics folyóiratban nemrégiben megjelent tanulmányukban. A kutatók tanulmányukban egy olyan gyakorlatias módszert írnak le, amellyel az InGaN anyagokban már meglévő hibák kihasználásával lényegesen nagyobb indiumkoncentrációjú InGaN kvantumpontokat lehet előállítani.
Ebben az eljárásban az anyagban természetesen meglévő diszlokációkból származó, úgynevezett V-pits összeolvadásával közvetlenül indiumban gazdag kvantumpöttyök, kis anyagszigetek jönnek létre, amelyek hosszabb hullámhosszú fényt bocsátanak ki. Azáltal, hogy ezeket a struktúrákat hagyományos szilícium szubsztrátokon növesztik, a mintázásra vagy a nem hagyományos szubsztrátokra nincs szükség. A kutatók nagy térbeli felbontású összetétel-térképezést is végeztek az InGaN kvantumpontokról, ami az első vizuális megerősítést nyújtja morfológiájukról.
A kvantumpontok kialakulása mellett a halmozódási hibák - egy másik belső kristályhiba - magképződése is hozzájárul a hosszabb hullámhosszúságú emisszióhoz.
Jing-Yang Chung, a SMART végzős hallgatója és a tanulmány vezető szerzője elmondta: "A területen dolgozó kutatók évek óta próbálják kezelni az InGaN kvantumkút-szerkezetekben rejlő hibák okozta különböző kihívásokat. Egy újszerű megközelítésben ehelyett egy nanogödör-hibát alakítottunk ki, hogy elérjük a közvetlen InGaN kvantumpont-növekedés platformját. Ennek eredményeképpen munkánk bemutatja a szilícium szubsztrátumok új, indiumban gazdag struktúrákhoz való felhasználásának életképességét, ami a hosszú hullámhosszú InGaN fénykibocsátók alacsony hatásfokával kapcsolatos jelenlegi kihívások kezelése mellett a drága szubsztrátumok problémáját is enyhíti.".
Ily módon a SMART felfedezése jelentős előrelépést jelent az InGaN csökkent hatékonyságának leküzdésében a vörös, narancssárga és sárga fény előállítása során. Ez a munka viszont fontos szerepet játszhat az egyetlen anyagból álló mikro-LED tömbök jövőbeli fejlesztésében.
Dr. Silvija Gradečak, a LEES társszerzője és vezető kutatója hozzátette: "Felfedezésünk a környezetre is hatással van. Ez az áttörés például a nem szilárdtest-alapú fényforrások - például az izzók -, sőt a jelenlegi foszforral bevont kék InGaN LED-ek gyorsabb kivonásához vezethet, teljesen szilárdtest-alapú színkeverő megoldással, ami viszont a globális energiafogyasztás jelentős csökkenéséhez vezethet." - tette hozzá.
"Munkánknak szélesebb körű következményei is lehetnek a félvezető- és elektronikai iparra nézve, mivel az itt leírt új módszer követi a szabványos ipari gyártási eljárásokat, és széles körben elfogadható és nagy léptékben megvalósítható" - mondta Eugene Fitzgerald, a SMART vezérigazgatója és a LEES vezető vezető kutatója. "Makroszinten, az InGaN-alapú energiamegtakarításból eredő potenciális ökológiai előnyök mellett felfedezésünk hozzájárul a szakterület új, hatékony InGaN-szerkezetek folyamatos kutatásához és fejlesztéséhez is."
A kutatást a SMART végzi, és a szingapúri Nemzeti Kutatási Alapítvány (NRF) támogatja a Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) program keretében. A tanulmányhoz a LED-szerkezeteket a SMART egyedülálló létesítményeinek és know-how-jának felhasználásával növesztették, a szerkezeti vizsgálatokat a NUS-ban végezték a legmodernebb, atomi felbontású elektronmikroszkópokkal, míg a nanoszintű optikai vizsgálatokat az MIT-ben és az NTU-ban végezték.
