Anorganische LEDs

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Michael Mader Hauptseminar - Universität Bayreuth 17.7.2012

sciencedaily.com

Klassifizierung

Vergleich LED/OLED

Aufbau

Grundlagen und Funktionsweise

Weg zur weißen LED

Luminophore/Phosphore

__________Inhalt___________

____________ Klassifizierung-Lichtquellen____________

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Gasentladung Glühlampen Leuchtdioden chemische Lichtquellen

oldskoolman.de growlightsolutions.comlichtchef.de chemie.uni-jena

anorganisch organisch OLED

BiolumineszenzHochdruck-/

NiederdrucklampenHalogenlampen

Entladungslampen Lichtquellen Festkörperlampen

Temperatur- Lumineszenz Strahler

Anorganische LED+ Hohe Lichtausbeuten+ Geringe Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer und Stabilität– Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden)

t [h] [lm/W] L [cd/m2]

>30000 30-50 10000000

3600K 36 18%

Organische LED+ Höhere Flexibilität+ niedrigere Herstellungskosten– Geringe Lichtausbeute und Leuchtdichte– Lebensdauer der Farben zu unterschiedlich

______________ Vergleich – LED - OLED _____________

Innovationsvortrag Dr. Jüstel

LED

OLED

Hal.oled.si

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Anorganische LED+ Hohe Lichtausbeuten+ Geringe Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer und Stabilität– Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden)

t [h] [lm/W] L [cd/m2]

>30000 30-50 10000000

<5000 10-25 1000

3600K 36 18%

Organische LED+ Höhere Flexibilität+ niedrigere Herstellungskosten– Geringe Lichtausbeute und Leuchtdichte– Lebensdauer der Farben zu unterschiedlich

______________ Vergleich – LED - OLED _____________

Innovationsvortrag Dr. Jüstel

LED

OLED

Hal.oled.si

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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 2

________________ Aufbau ________________

fremo-hemsbach.de mazda-forum.info Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel

Fokussierung des Lichts

Schutz vor Feuchtigkeit und Sauerstoff

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____________ Dotierung – p/n-Halbleiterdioden___________

leifiphysik.de

p-Dotierung

n-Dotierung

Halbeitergitter: Germanium -1x e- => p-Dotierung+1x e- => n-Dotierung

JG Universität - Mainz

HG-Elemente:Akzeptoratome: IIIDonatoratome: V

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____________ Gleichrichter – p/n-Halbleiterdioden___________

leifiphysik.den-Dotierung p-Dotierung

Kombination von p- und n-Schicht

Þ p/n-Übergang

Þ Diffusion von e- und Defekt-e-

Þ Ausbildung von Raumladungszonen

Þ Sperrstrom + –

n p

Durchlassstrom – +

Raumladungszonen– – – – – – + + + – – – + + + + + – – – – – – + + + – – – + + + + + – – – – – – + + + – – – + + + + +

_________________________________________________________________________________________________

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_________Gleichrichtereigenschaften_______

+ –

n p

Sperrstrom: n p

+ –

elektr. Strom e-

leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________

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_________Gleichrichtereigenschaften_______

+ –

n p

Sperrstrom: n p

+ –

elektr. Strom e-

Rekombination

Valenzband Leitungsband

leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________

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– +

n p

Durchlassstrom: n p

– +

Rekombination

elektr. Strome-

_________Rekombinationsprozess_______

Valenzband Leitungsband

leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________

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– +

n p

Durchlassstrom: n p

– +

Rekombination

elektr. Strome-

_________Rekombinationsprozess_______

Valenzband Leitungsband

leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________

Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 9

X. Pengshou et al., Theoretical studies on bandstructure and optical properties of 3C–SiC, 2005 colorfoto.de

th.physik.uni-frankfurt.de

Direkter Halbleiter

_________ Direkte-/Indirekte Halbleiter_______

Indirekter HalbleiterSiC

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________________ Lichteigenschaften________________

rel. monochromatisches Licht

Lichtleistung [lm/W] Betriebsstrom

Wellenlänge [nm]

Inte

nsi

tät

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Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel

________________ Lichteigenschaften________________

rel. monochromatisches Licht

Lichtleistung [lm/W] Betriebsstrom

von UV- bis IR-Strahlung alles realisierbar

Wellenlänge [nm]

Inte

nsi

tät

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Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel chemistry.wustl.edu

_________ Steuerung der Bandlücke________

ruby.chemie.uni-freiburg.de / Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 233, 2001, 439–445_________________________________________________________________________________________________

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Größere Quantenzahl (n) des eingebrachten Elements => kleiner Bandlücke

Ionischen Bindungsanteil (EN) erhöhen => größere Bandlücke

(CH3)3Ga + NH3 -> GaN (s) + 3 CH4 (g) „Gasphasenepitaxie“

_________ Steuerung der Bandlücke________

ruby.chemie.uni-freiburg.de / Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 233, 2001, 439–445_________________________________________________________________________________________________

Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 12

Größere Quantenzahl (n) des eingebrachten Elements => kleiner Bandlücke

Ionischen Bindungsanteil (EN) erhöhen => größere Bandlücke

HG: IV V Ga N n = 2 Ga P n = 3 Ga As n = 4 Ga Sb n = 5

„Isoelektronisch“

Zn Ga As Se n = 4

(CH3)3Ga + NH3 -> GaN (s) + 3 CH4 (g) „Gasphasenepitaxie“

_________ Variation der emittierten Wellenlänge_______

ruby.chemie.uni-freiburg.de

In0,15Ga0,85N

In0,25Ga0,75N

In0,35Ga0,65N

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__________ Der Weg zur Weißen LED __________

led-info.de sciencedaily.com Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel_________________________________________________________________________________________________

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Additive FarbmischungRGB oder BG

__________Phosphore/Luminophore__________

ikts.fraunhofer.de

SeltenerdotiertesStrontiumaluminat

Umwandlung von höherenergetischem Licht in niederenergetisches

LaSi3N5:Eu,O CeMgAl11O19:Tb CaSiN2:Eu

Chemie&More, Heft 1, 2010

ELumineszenz

Wärme

UV

Te3+Ce3+

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__________ Synthesebeispiele__________

Ca3N2 + Si3N4 + EuF3 CaSiN2:Eu (620nm)

LaN + Si3N4 + Eu2O3 LaSi3N5:Eu,O (550nm)

2 Sr/Eu + 5 Si(OH)2 Sr2Si5N8:Eu (615nm) + N2 + 5 H2

1400°C, N2

Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel

1900°C, N2

1650°C, N2

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__________ Luminophore - Ein Weg zur Weißen LED __________

D.Rauber JG-Universität Mainz led-info.de Farben und Licht UBT Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel

Additive Farbmischungüber

Luminophore (Phosphore)UV:RGB oder B:G

400 500 600 Wellenlänge [nm]

weißes Licht

600 400500

BlaueLED

UVLED

Y3Al5O12:Ce3+ Sr2Si5N8:Eu2+ SrSi2O2N2:Eu2+

InGaN

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____________ pc-LEDs – Weiße LEDs___________

pc-LED: „phosphor-coated LEDs“ - Leuchtstoffbeschichtete LEDs

R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor-converted white light emitting diode, 2005_________________________________________________________________________________________________

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____________ pc-LEDs – Weiße LED___________

Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. Jüstel

pc-LED: „phosphor-coated LEDs“ oder Leuchtstoffbeschichtete LEDs

R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor-converted white light emitting diode, 2005_________________________________________________________________________________________________

Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 18

________________ Literaturquellen________________ • R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-

nitride phosphor-converted white light emitting diode, 2005, 209, 1727-1732

• T. Jüstel, et. al, Entwicklungen auf dem Gebiet lumineszierender Materialien für Beleuchtungs- und Displayanwendungen, Angew. Chem,1998, 110,3250-3271

• I. Akasaki, The evolution of group III nitride semiconductors seeking blue light emission, Mat. Sc. Eng, 2000, 1001-106

• T. Jüstel, Innovationsvortrag und Inkohärente Lichtquellen, FH Münster 2011

• Hoo Keun Park, Ji Hye Oh, et al., Toward scatter-free phosphors in white phosphor-converted light-emitting diodes, Opt. Expr., 2012, 10218-10228

• D. Rauber, blaue LEDs, Johannes Gutenberg Universität, 2011• X. Pengshou et al., Theoretical studies on bandstructure and optical

properties of 3C–SiC by FPLAPW,144–147, 2005, 593–596• Pengshou Xua,et al.,Theoretical studies on bandstructure and optical

properties of 3C–SiC by FPLAPW,144–147, 2005, 593–596• https://en.fh-muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/AlGaN______UV-

LEDs_MatthiasMueller_.pdf• J.Breu, Vorlesungsskript, Universität-Bayreuth, 2011• http://www.uni-magdeburg.de/ahe/lab/mocvd.html• Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 2001, 233 439–445

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________________ Bildquellen________________ • http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/

PeriodicProperties/MetalBonding/images/red_yellow.jpg• http://th.physik.uni-frankfurt.de/~scherer/Blogging/BlueLED/

GaNBandStructureDirectGap.jpg• http://www.growlightsolutions.com/wp-content/uploads/2011/11/

ledweiss.jpg• http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm• http://spectrum.ieee.org/image/844731• https://web.tradekorea.com/upload_file/prod/marketing/mkt_files/

company/h/hunin/img/oimg_CA00183473.jpg• http://www.leifiphysik.de/web_ph10/grundwissen/15dotierung/

dotierung.htm• http://www.oled.si/tv/wp-content/gallery/oled-display/oled-flexible-

pieces.jpg• http://www.led-info.de/grundlagen/leuchtdioden/weisslicht-led/

lumineszenz-konversion.html• http://www.ikts.fraunhofer.de/forschungsfelder/werkstoffe/

precusorkeramik/leuchtstoffe/• http://www.lichtchef.de/images/osram/OSRA153531.jpg• http://th.physik.uni-frankfurt.de/~scherer/Blogging/BlueLED/

GaNBandStructureDirectGap.jpg

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit