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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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 1
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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 2
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
_________________________________________________________________________________________________
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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 3
____________ 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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 4
____________ 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– – – – – – + + + – – – + + + + + – – – – – – + + + – – – + + + + + – – – – – – + + + – – – + + + + +
_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 5
_________Gleichrichtereigenschaften_______
+ –
n p
Sperrstrom: n p
+ –
elektr. Strom e-
leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 6
_________Gleichrichtereigenschaften_______
+ –
n p
Sperrstrom: n p
+ –
elektr. Strom e-
Rekombination
Valenzband Leitungsband
leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 7
– +
n p
Durchlassstrom: n p
– +
Rekombination
elektr. Strome-
_________Rekombinationsprozess_______
Valenzband Leitungsband
leifiphysik.de_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 8
– +
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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 10
________________ 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
_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 11
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_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 12
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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Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 15
__________ 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_________________________________________________________________________________________________
Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 18
____________ 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
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