9. Anorganische LEDs · (S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters...

Kapitel Anorganische LEDs Folie 1

Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. T. Jüstel

9. Anorganische LEDs Inhalt 9.1 Klassifikation von LEDs 9.2 Evolution von LED-Lichtquellen 9.3 Lichterzeugung in Halbleiter LEDs 9.4 Chipstruktur von (Al,In,Ga)N/Al2O3 LEDs 9.5 Spektren von LEDs 9.6 Konzepte zur Erzeugung von weißem Licht 9.7 Leuchtstoff-LEDs (pcLEDs) 9.8 Anforderung an LED-Leuchtstoffe 9.9 Ce3+-Leuchtstoffe 9.10 Weiße pcLEDs 9.11 Probleme von Ce3+-Leuchtstoffen 9.12 Eu2+-Leuchtstoffe 9.13 Warmweiße pcLEDs 9.14 Nitridische Leuchtstoffe und rote Schmalbandemitter 9.15 Anwendungen anorganischer LEDs 9.16 Die Zukunft der LEDs



9.1 Klassifikation von LEDs Lichtemittierende Dioden

Organisch

PLED OLED

Anorganisch

AC high V

DC low V

PEL ACTFEL ILED PEL

DC low V

PPV PVK

Excimere Komplexe

ZnS:Cu ZnS:Mn

SrS:Ce CaS:Mn

ZnS:Tb ZnS:Mn

AlInGaP AlInGaN

EL = Electroluminescence, I = Inorganic, P = Powder, TF = Thin Film



9.2 Evolution von LED-Lichtquellen Destriau entdeckt indirekte EL

Biard&Pittman finden direkte EL (erste LED)

1961

1936

Friend&Burroughes erfinden PLED

1990

1962

Holonyak entwickelt erste sichtbare LED: Ga(As,P)

Agilent Inc. zeigen rote LED mit 102 lm/W (55% ext. Effizienz)

1999

1993

Nakamura entwickelt (In,Ga)N blaue-LED Technologie

2002

5 W LED

Jahr

Weiße LED mit 200 lm/W

2010



9.2 Evolution von LED-Lichtquellen

LEDs sind inzwischen effizienter als Glüh- und Fluoreszenzlampen 2012: LEDs > 1000 lm auf dem Markt

Entwicklung der Lichtausbeute und des Lumenstroms

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1960 1970 1980 1990 2000 2010 Jahr

Lic

htst

rom

/ L

ED

(Lum

en)

Jahr



9.2 Evolution von LED-Lichtquellen

1

10

100

1000

400 500 600 700 800 900

Peak Wavelength (nm)

Lum

inou

s Pe

rfor

man

ce(lu

men

s/W

att)

High PressureSodium (1kW)

Fluorescent (40W)Mercury Vapor (1kW)

Halogen (30W)Tungsten (60W)

Red-FilteredTungsten (60W)

AlGaInP

AlGaInN AlGaAs

Eye Response Curve(CIE)

Lichtausbeute von (Al,In,Ga)N, (Al,In,Ga)P und (Al,Ga)As LEDs (Stand 2002, Quelle: Lumileds)



9.3 Lichterzeugung in Halbleiter LEDs

Intrinsische strahlende Übergänge in Halbleitern: (a) Band-zu-Band Übergänge (b) Free-exciton Annihilation (c) Rekombination von lokalisierten Excitonen durch Potentialfluktuationen der Bänder

Rekombination von Elektronen und Löchern




Zero bias

qV

p

p

n n

Forward Bias

Rekombinationszone

hυ ~ Eg

E

AlInGaN:Si AlInGaN:Mg

Prinzip der Halbleiter LED

Rekombination von Elektronen und Löchern am p/n-Übergang unter Energie- und

Impulserhaltung ⇒ Energie des emittierten Photons entspricht der Bandlücke




AlN 6.2 eV (200 nm) AlP 2.5 eV (500 nm) GaN 3.5 eV (370 nm) GaP 2.3 eV (520 nm) InN 1.9 eV (650 nm) InP 1.4 eV (900 nm)

Bandlücke geeigneter Halbleiter-Materialien



Transparentes Saphir-Substrat

Ti/Al n - Elektrode

n - GaN Kontaktschicht

Ni/Au p - Elektrode

p - GaN Kontaktschicht

~100 µm

4 µm

0.15 µm 0.5 µm

InGaN/AlGaN DH, SQW oder MQW Struktur

Transparente Metallschicht (Au/Ni)

Pufferschicht

(S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters and Lasers, Springer, Berlin, 1997)

9.4 Chipstruktur von AlInGaN/Al2O3 LEDs Struktur einer Halbleiter-LED



9.4 Chipstruktur von AlInGaN/Al2O3 LEDs

p-GaN

n-GaN

Sapphire

p-Pad

n- Active

n-Ring

(a) (b)

Transparent

(M.R. Krames et al., Proc. SPIE 3938, 2, 2000)

(a) Asymmetrisches Design (b) Symmetrisches Design

Strompfade in (Al,In,Ga)N LEDs auf Saphir



9.5 Spektren von LEDs

(Al,In,Ga)N bildet eine lückenlose Mischkristallreihe Steigende In-Konzentration • Energie des (In,Ga)N quantum well Übergangs sinkt • Emissionsbanden verbreitern sich • Abnahme der Quantenausbeute durch Defekte

400 450 500 550 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0Emission spectra of blue high power AlInGaN LEDs (Lumileds)

x y 410 nm 0.173 0.026 419 nm 0.170 0.015 448 nm 0.156 0.035 455 nm 0.147 0.040 459 nm 0.143 0.047 462 nm 0.136 0.059 465 nm 0.132 0.071 468 nm 0.128 0.085 482 nm 0.092 0.216

Norm

alise

d em

issio

n in

tens

ity

Wavelength [nm]

(Al,In,Ga)N LEDs



9.5 Spektren von LEDs

(Al,In,Ga)P 500 – 900 nm Löschung ~0.7%/K (Al,In,Ga)N 210 – 550 nm Löschung ~0.1%/K Plattformkonzept !

400 500 600 700 8000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35LED U(V) I(A) x yBlue 3.7 0.29 0.096 0.208Green 3.7 0.29 0.185 0.723Red 3.1 0.30 0.703 0.328White 3.4 0.30 0.328 0.329

Emiss

ion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

High Brightness LEDs (HB LEDs)

Leistungsaufnahme Spannung Stromstärke Chiptemperatur

1 W (2000) 4.5 V 0.2 A ~120 °C

5 W (2002) 4.5 V 1.1 A >150 °C



Weißes Licht via Lumineszenz

Y, YR oder RG Leuchtstoff

Weiß Rot Grün Blau UV

Weißes Licht durch additive Farbmischung

9.6 Konzepte zur Erzeugung von weißem Licht Durch additive Farbmischung 1. Schwarzkörperstrahler ⇒ sichtbares Licht + IR 2. Gasentladungen ⇒ VUV + UV-C/B/A + sichtbares Licht 3. Halbleiter ⇒ UV-A, sichtbare oder IR-A Strahlung

Farbiges Licht durch Absorption

CO or RGB Leuchtstoff- mischung

Farb- filter



9.6 Konzepte zur Erzeugung von weißem Licht Weißlicherzeugung mit LEDs

Rote + Grüne + Blaue LEDs

Blaue LED + gelber Leuchtstoff

Blaue LED + RG Leuchtstoffmischung

UV LED + RGB Leuchtstoffmischung



290 – 330 lm/W 320 – 360 lm/W CRI = 70 – 85 CRI = 85 - 95 Transmission von blauem hängt von der optischen Weglänge durch die Leuchtstoffschicht ab Farbpunkt = f(Betrachtungswinkel) 460 nm LED (2.7 eV) → 570 nm (2.2 eV) Quantum deficit = 0.78

370 – 420 nm 420 - 480 nm 370 – 420 nm 420 - 480 nm

290 – 330 lm/W 320 – 360 lm/W CRI = 70 – 85 CRI = 85 - 95 UV Licht verursacht Polymerdegradation Und erfordert Sicherheitsmaßnahmen 390 nm LED (3.2 eV) → 570 nm (2.2 eV) Quantum deficit = 0.69

9.6 Konzepte zur Erzeugung von weißem Licht Weißlicherzeugung mit Nah-UV oder blauen LEDs



9.7 Leuchtstoff-LEDs (pcLEDs)

Blauer LED-Chip: 420 – 480 nm emittierende (In,Ga)N LED Leuchtstoffschicht: (1) Gelb Tc > 4000 K „Cool white“ (2) Gelb + Rot Tc < 4000 K „Warm white“ (3) Grün + Rot 2000 K < Tc < 8000 K (4) Rot Magentafarben

InGaN Halbleiter Silikon

Leucht- stoff

Ag-Spiegel

400 450 500 550 600 650 700 750 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Emission ofphosphor converterLight

Source

Absorption

Weißlicherzeugung mit blauen LEDs



9.8 Anforderung an LED Leuchtstoffe Allgemein • starke Absorption bei der Emissionswellenlänge des Halbleiter-LED → spin- and paritätserlaubter Übergang, z.B. 4fn – 4fn-15d1 • Quantenausbeute > 90% • Stabilität gegenüber O2, CO2 und H2O • Stabilität unter hoher Anregungsdichte (100 - 200 W/cm2) • Kompatibilität mit dem LED-Herstellungsprozess Blau + Gelb Konzept • breite Emissionsbande zwischen 560 - 580 nm → Ce3+-Leuchtstoffe (Aufspaltung des Grundzustandes 2F5/2 + 2F7/2) Blau + Grün/Gelb + Rot Konzept • grüner/gelber Leuchtstoff → Eu2+ oder Ce3+ 530 - 560 nm

• roter Leuchtstoff → Eu2+ 590 - 620 nm



9.9 Ce3+ Leuchtstoffe Vereinfachtes Termschema von Ce3+ ([Xe]4f1)

0.0

4.0x104

Ene

rgie

[cm

-1]

5d1

Ce3+

2F7/2 2F5/2

Nephel- auxetischer

Effekt

Kristallfeld- aufspaltung

5d1

εc

εcfs

Stokes Shift

5.0x104

3.0x104

2.0x104

1.0x104

4f1

Ce3+

in d

er G

asph

ase

~ 50

000

cm-1



9.9 Ce3+ Leuchtstoffe Typische Materialien Wirtsgitter λabs [nm] λem [nm] εcfs [cm-1] εc [cm-1] SrAl12O19 224, 235, 244, 252, 261 290, 315 6300 10000

LaPO4 203, 225, 238, 250, 323 320, 335 11900 8700 LaMgAl11O19 220, 232, 243, 255, 270 345 8400 10000 YPO4 203, 225, 238, 250, 323 335, 355 18000 9600

LaBO3 11500 YAlO3 219, 237, 275, 291, 303 370 12700 12900 LuAlO3 216, 230, 275, 292, 308 370 12650 13800 LaMgB5O10 202, 225, 239, 257, 272 385, 410 9000 12700 YBO3 219, 245, 338, 357 390, 415 17600 13300

Lu2SiO5 205, 215, 267, 296, 356 405, 420 20700 12300 Lu3Al5O12 205, 225, 265, 350, 445 525, 540 Y3Al5O12 205, 225, 261, 340, 458 545, 555 27000 14700 (P. Dorenbos, J. Luminescence 99 (2002) 283)



9.9 Ce3+ Leuchtstoffe

(M. Batentschuk et al., MRS Symp. Proc. 560 (1999) 215)

Energieniveaus und Anregungsspektrum von Ce3+ in Y3Al5O12

[Xe]4f1

[Xe]5d1

520

nm

460

nm

580

nm

2F5/2

5.1 eV

6.0 eV

7.0 eV

8.0 eV 8.6 eV

VB

LB

2.4 eV

0 eV

6.5 eV

Ener

gie

[eV]

335

nm

2F7/2

100 200 300 400 5000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 7.0 eV

4.8 eV

5.6 eV3.6eV

Emiss

ion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

monitored at 545 nm

2.7 eV



9.9 Ce3+ Leuchtstoffe

Granatstruktur Ln3Me5O12 • Ln = Y, Ce, Gd, Lu dodekaedrisch • Me = Al, Ga tetraedrisch (3), Al, Ga, Sc oktaedrisch (2) • Substitution von Y durch Gd, Tb, Dy oder Erhöhung der Ce3+-Konzentration ⇒ Rotverschiebung • Substitution von Y durch Lu ⇒ Blauverschiebung

Ln3Me5O12:Ce - Emissionsspektren und Farbpunkte

500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 YAG:Ce1% YAG:Ce2% (Gd,Y)AG:Ce2% (Lu,Y)AG:Ce1% LuAG:Ce1%

Norm

alise

d em

issio

n in

tens

ity

Wavelength [nm]



9.10 Weiße pcLEDs

Die ersten kommerziell erhältlichen LEDs folgten diesem Konzept (1) • Farbwiedergabe CRI = 70 – 85 • Kaltes weißes Licht (nachts sind alle Katzen grau.....) • Lichtausbeute bis zu 300 lm/W • Problem: Niedrige Farbwiedergabe für rote Farben und niedrige

Farbtemperaturen

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800

Emis

sion

sint

ensi

tät Tc = 5270 K: CRI = 82

Tc = 4490 K: CRI = 79

Tc = 4110 K: CRI = 76

Tc = 3860 K: CRI = 73

Tc = 3540 K: CRI = 70

Wellenlänge [nm]

Blauer (In,Ga)N Chip + (Y,Gd)3Al5O12:Ce



9.10 Weiße pcLEDs

(1) Blaue LED + (Y,Gd)3Al5O12 ⇒ CRI > 75 nur für Tc > 4000 K (2) Blaue LED + (Y,Gd)3Al5O12 + Rot ⇒ CRI > 85 für Tc < 4000 K (3) Blaue LED + Grün + Rot ⇒ CRI > 85 für 2700 < Tc < 8000 K

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rote

r Leu

chts

toff

Gel

ber L

euch

tsto

ff

Blau

e L

ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]

Weiße pcLEDs mit hoher Farbwiedergabe

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rote

r Leu

chts

toff

Grü

ner L

euch

tsto

ff

Blau

e L

ED

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]



9.10 Weiße pcLEDs Weiße pcLEDs mit hoher Farbwiedergabe

Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtung erfordern hohe Farbwiedergaben auch bei niedrigen Farbtemperaturen Konzept (2) • (Y,Gd)3Al5O12 + Roter Leuchtstoff • CRI = 85 - 95 • Tc = 2800 to 4000 K • 1 – 5 W LEDs • 100 – 150 lm/W

400 450 500 550 600 650 700 750 800nm

black body 3600 K

fluorescent, CCT=3600 K

0

5

4

4

4

4

4

4

4

4

400 450 500 550 600 650 700 750nm

JAZZ 3300K

BB 3300K



9.11 Probleme von Ce3+-Leuchtstoffen Allgemeine Eigenschaften • Relativ schmale Absorptionsbanden • Relativ breite Emissionsbande • Keine bekannten Ce3+ Leuchtstoffe mit roter Emission und einer hohen thermischen

Löschtemperatur!

Alternative Aktivatoren für rot emittierende Leuchtstoffe Aktivator Spektralbereich Lumenäquivalent Abkling- Effizienz Absorption [nm] [lm/Wopt] zeit τ bei 450 nm__ Eu2+ 360 - 700 50 – 550 ~ 1 µs hoch stark Eu3+ 590 - 710 200 – 360 ~ 1 ms hoch schwach Sm2+ 670 - 770 < 100 ~ 1 µs hoch moderat Sm3+ 560 - 710 240 – 260 0.5 ms moderat schwach Pr3+ 590 - 680 100 – 220 0.1 ms moderat - hoch schwach Mn2+ 500 - 650 100 - 550 5-15 ms hoch schwach Mn4+ 620 - 680 80 – 230 1-10 ms hoch moderat Cr3+ 680 - 750 < 100 1-10 ms hoch moderat Fe3+ > 700 < 50 5-15 ms Medium schwach



∆

4f6 5d

4f7

8S

6PJ

4f7

Linien- emission

Spektrale Position der dipol-erlaubten 5d14f6 → 4f7 Emissions-bande wird bestimmt durch • Kristallfeldaufspaltung der 5d-Niveaus

• Centroide Verschiebung reduziert den Energieabstand zwischen der 4f7- und der 4f65d1-Konfiguration (nephelauxetischer Effekt)

• Stokes Shift

Vereinfachtes Termschema

9.12 Eu2+-Leuchtstoffe

Stärke der Aktivator-Ligand Wechselwirkung

Centroide Verschiebung

Kristall- aufspaltung



9.12 Eu2+-Leuchtstoffe

Centroide Verschiebungr + K

ristallfeldaufspaltung

Eu2+ Aktivierter Leuchtstoff Emission max. [nm] SrB4O7:Eu 368 BaSO4:Eu 374 Sr2P2O7:Eu 420 CaAl2O4:Eu 440 BaMgAl10O17:Eu 450 Sr2MgSi2O7:Eu 467 SrAl4O7:Eu 473 SrSiAl2O3N:Eu 480 Sr4Al14O25:Eu 490 BaSi2N2O2:Eu 490 Ba2SiO4:Eu 505 SrAl2O4:Eu 520 SrGa2S4:Eu 535 SrSi2N2O2:Eu 540 CaSi2N2O2:Eu 565 Sr2SiO4:Eu 575 Ba2Si5N8:Eu 585 SrS:Eu 610 Sr2Si5N8:Eu 615 CaAlSiN3:Eu 650 CaS:Eu 655 SrSiN2:Eu 700



9.12 Eu2+-Leuchtstoffe Bindende Wechselwirkung in MeS:Eu • MgS:Eu λem = 588 nm • CaS:Eu λem = 651 nm • SrS:Eu λem = 620 nm

Stabilität, Kristallfeld-aufspaltung

Kovalenz zwischen Eu und S

EHTB-MO Berechnungen an EuAE18S4450- Clustern (nach P.J. Schmidt)

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

MgS CaS SrS

Eu charge

stärkste bindende Eu-S Wechselwirkung bzw. höchste Kovalenz in CaS



9.13 Warmweiße pcLEDs Leuchtstoffe für Konzept (2) Gelb: 550 – 560 nm Rot: 600 – 620 nm (Y,Gd)AG:Ce und (Ca,Sr)S:Eu ⇒ CRI > 85 für Tc < 4000 K (Y,Gd)AG:Ce und (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu oder (Ca,Sr)AlSiN3:Eu ⇒ CRI > 75 für Tc = 2700 – 4000 K Produkte seit 2004 auf dem Markt



9.13 Warmweiße pcLEDs

Quantenausbeute [%] Lumenäquivalent [lm/W] CIE1931 Farbpunkt x,y > 90 260 - 265 0.629 0.370 Hydrolyse von SrS: SrS + 2 H2O → H2S↑ + Sr(OH)2

Oxidation von SrS: SrS + 2 O2 → SrSO4

Lösung: Teilchenbeschichtungen (Particle coatings) oder Reduktion der Basizität

Eigenschaften von (Sr,Ca)S:Eu Lumineszenz- und Reflexionsspektren Teilchenmorphologie

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Emission spectrum Excitation spectrum Reflection spectrum

Rela

tive

inte

nsity

Wavelength [nm]



9.13 Warmweiße pcLEDs Verbessserung der Stabilität von SrS:Eu 1. Reduktion der Basizität des Wirtsgitters von (Ca,Sr)S (Elektronendichte auf den Anionen): Ersatz von Sr durch Ca ⇒ Rotverschiebung der Emissionsbande ⇒ Reduktion im Lumenäquivalent 2. Reduktion der Hydrolyseempfindlichkeit: Anwendung einer Teilchenbeschichtung, d.h. Verkapselung der Partikel mit einem diffusionsdichten Material (SiO2, Al2O3, MgO, MgAl2O4, LnPO4, ...)

500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 SrS:Eu (Sr0.75Ca0.25)S:Eu (Sr0.5Ca0.5)S:Eu (Sr0.25Ca0.75)S:Eu CaS:Eu

Emiss

ion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]



9.13 Warmweiße pcLEDs

SrS:Eu CaS:Eu Stabilität

Kristallfeldaufspaltung

Zentroide Verschiebung

Verbessserung der Stabilität von SrS:Eu



9.14 Nitridische Leuchtstoffe Vorteile gegenüber Oxiden und Sulfiden • Hochkondensierte anionische Netzwerke ⇒ hohe Dichte, hohe chemische Stabilität, hohe Härte, hohe thermische Löschtemperatur • Hohe Ladungsdichte zwischen dem Aktivator und den Anionen: Oxides < Oxynitrides < Nitride < Nitridocarbide ⇒ starke Rotverschiebung der Emissionsbande Si X = O2- X = N3- X = C4-

r [pm] 26 138 146 160 Elektronegativität χ 1.92 3.61 3.07 2.54 Ionenbindungsanteil Si-X [%] - 51 28 9 Beispiel: Eu2Si5N8 (640 nm) (W. Schnick et al., Acta Cryst. C 53 (1997) 1751)



9.14 Nitridische Leuchtstoffe Zusammensetzung und Emissionsspektren kommerzieller Materialien (Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu 580 – 625 nm (Ca,Sr)AlSiN3:Eu,O 630 – 650 nm

500 550 600 650 700 750 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0650 nm625 nm Ba2Si5N8:Eu

Sr2Si5N8:Eu CaAlSiN3:Eu

Emiss

ion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]

585 nm



9.14 Nitridische Leuchtstoffe Synthese nitridischer Leuchtstoffe CaSiN2:Eu (λem= 620 nm) Lee et al., J. SID Supplement-1 (2000) 137 Ca3N2 + Si3N4 + EuF3 at 1400 °C (H2/N2) LaSi3N5:Eu,O (λem= 549 nm) und LaEuSi2N3O2 (λem= 650 nm) Uheda et al., J. Lumin. 87 (2000) 967 LaN + Si3N4 + Eu2O3 at 1900 °C (10 atm N2) AE2Si5N8:Eu (AE = Ca, Sr, Ba) (λem= 615 nm) Schnick et al., Z. Anorg. Allg. Chem. 621 (1995) 1380 2 Sr/Eu + 5 Si(NH)2 → Sr2Si5N8:Eu + N2 + 5 H2 (1650 °C,rf furnace, N2) Probleme: Empfindliche Edukte, hoher Druck und hohe Synthesetemperaturen



9.14 Nitridische Leuchtstoffe

Komposition Körperfarbe Emissionsbande Stabilität Sr2SiO4:Eu gelb 575 nm Zersetzung in H2O Ba2Si5N8:Eu orange 580 nm Zersetzung in konz. Säuren

Sr2Si5N8:Eu orange-rot 615 nm Zersetzung in konz. Säuren

350 400 450 500 550 600 650 700 7500

20

40

60

80

100

Refle

ctio

n [%

]

Wavelength [nm]

Sr2SiO4:Eu

Sr2Si5N8:Eu

Optische Eigenschaften von Sr2Si5N8:Eu



9.14 Nitridische Leuchtstoffe

• Hohe Absorptionsstärke zwischen 200 und 500 nm • Quantenausbeute > 90% bei 450 nm Anregung • Hohe thermische Löschtemperatur TQ1/2 = Temperatur, bei der die

Lichtausbeute um die Hälfte reduziert ist • Blauverschiebung durch T-Erhöhung (thermische Ausdehnung des Gitters)

Thermische Löschung am Beispiel von Sr2Si5N8:Eu

450 500 550 600 650 700 750 8000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000 T25 T75 T100 T150 T200 T250 T300

Emiss

ion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength [nm]0 50 100 150 200 250 300 350

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Model: Boltzmann-SigmoidalChi^2/DoF = 0.00002R^2 = 0.99868A1 1.00087 ±0.00272A2 0 ±0x0 340.09306 ±2.14197dx 43.33371 ±1.88373

Peak intensity Integral

y = A2 + (A1-A2)/(1 + exp((x-x0)/dx))

Norm

alise

d em

issio

n in

tens

ity

Temperature [°C]



9.15 Anwendungen anorganischer LEDs Stärken anorganischer LEDs • Lebensdauer > 20000 h • Dimmbarkeit • geringer Bautiefe • hohe T-Stabilität • schnelle Schaltzyklen • niedrige Spannung ~ 4 V • beliebige Farbtemperatur • Robustheit Noch zu lösende Probleme • Lumenstrom pro LED↑ • Farbpunktstabilität↑ • Preis pro Lumen↓ • Thermisches Management↑

Zeitliche Entwicklung

Taschenlampen

Signalbeleuchtung

Lichtkacheln

Spotbeleuchtung

Konturbeleuchtung

Hintergrundbeleuchtung

Automobilbeleuchtung

Innenraumbeleuchtung

Allgemeinbeleuchtung

Straßenbeleuchtung



• Signalanlagen • Ampeln • Flugfeldbeleuchtung

• Automobilbeleuchtung

• Rückleuchten • Bremsleuchten • Armaturenbeleuchtung • Abblend-/Fernlicht • Standlicht

• Hintergrundbeleuchtung • LCD Bildschirme • Mobiltelefone

• LED Bildschirme • Anzeigetafeln • Reklametafeln • Videowände

9.15 Anwendungen anorganischer LEDs



9.15 Anwendungen anorganischer LEDs “Color on Demand” Blaue (In,Ga)N LED (420 – 480 nm) + Leuchtstoffschicht

Beispiele • Magenta: Blaue LED + roter Leuchtstoff • Cyan: Blaue LED + grüner Leuchtstoff

Anwendung in • Firmenlogos • Signalanlagen • Effektbeleuchtung • Werbebeleuchtung



9.16. Die Zukunft der LED

Kosten [€/1000 lm]

1995 2010 2015

Effizienz [lm/W]

150

100

50

30

20 10

2000 2005 2020

250

10

2

5

100

7 W LED ~1000 lm für ~ 2 €

Zeit

Preisentwicklung



9.16. Die Zukunft der LED

Nick Holonyak, jr. (2000) Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die Leuchtstoff LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird.

Zeit

Anw

ende

rnut

zen

Beleuchtung

Ambiente

Trends im Lichtquellenmarkt

Umweltverträglichkeit

Gesundheit

Lifestyle + Arbeitseffizienz

Energieeffizienz Lebensdauer

Recycling

Geometrische und spektrale

Flexibilität



9.16. Die Zukunft der LED (In,Ga)N LEDs und Laserdioden mit erweiterter Funktionalität

1. Physiologische Wirkungen Vollspektrumlichquellen: 300 – 1000 nm Melatoninsuppression: 420 nm

Kollagenaufbau: 800 - 850 nm Durchblutungstimulation: 700 - 1000 nm 2. Spektroskopische/Sensorische Funktionen IR-Spektroskopie NIR Emission + up-Konversion reflekt. Strahlung 3. Datenübertragung Lokale NIR Netzwerke ns-Leuchtstoffe 700 – 3000 nm

400 450 500 550 600 650 700 750 8000,0

2,0x10-1

4,0x10-1

6,0x10-1

8,0x10-1

1,0x100

Emission spectra

Melatoninsuppression

Inte

nsity

[cou

nts]

Wavelength [nm]

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6Energy [eV]

300 400 500 600 700 800 900 10000,00

0,02

0,04

0,06

0,08

Emiss

ions

inte

nsitä

t [a.

u.]

Wellenlänge [nm]

9. Anorganische LEDs · (S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode: GaN Based Light Emitters...

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