La mezcla de colores es el proceso de combinar dos o más colores:el rojo y el verde forman el amarillo, el azul y el rojo forman el morado, el rojo, el verde y el azul forman el blanco. Este proceso de mezcla de colores es la base del futuro de la iluminación de estado sólido. Si bien actualmente la luz blanca se logra mediante la conversión descendente de fósforo, la mezcla de colores de LED en realidad tiene una eficiencia máxima teórica más alta, que es necesaria para alcanzar los objetivos de eficiencia energética del DOE para 2035.

A pesar de la eficiencia potencial de las fuentes LED de colores mixtos, existe un desafío importante:el verde. La "brecha verde" se describe como la falta de LED verdes adecuados. Los LED verdes actuales están fabricados con nitruro III hexagonal de última generación, pero solo alcanzan un tercio de los objetivos de eficiencia establecidos en la hoja de ruta del DOE para 2035.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han encontrado un camino potencial para llenar el vacío verde e informan sobre una capa activa de nitruro III cúbico emisor de verde con una eficiencia cuántica interna (IQE) del 32%, que es más que Eficiencia 6 veces mayor que la reportada en la literatura para capas activas cúbicas convencionales.

"El objetivo final es triplicar la eficiencia de los diodos emisores de luz blanca actuales. Y para lograrlo, necesitamos llenar el vacío verde en el espectro, lo cual no es una tarea fácil. Se necesita innovación. Y mostramos la innovación a partir de los materiales. lado usando nitruros cúbicos", dice el profesor de ingeniería eléctrica e informática Can Bayram, quien dirigió este trabajo junto con el estudiante graduado Jaekwon Lee.

Los resultados de esta investigación se publicaron recientemente en Applied Physics Letters. como artículo de portada del número.

Hoy en día, los LED blancos más eficientes utilizan diodos emisores de luz azul con un recubrimiento de fósforo de tierras raras que convierte la luz azul en amarilla, verde y/o roja, lo que permite una iluminación blanca. Este proceso se llama conversión descendente de fósforo. Los fósforos son materiales luminiscentes que pueden absorber y convertir fotones de alta energía (como la luz azul) en luz de menor energía y longitud de onda más larga (como verde, amarilla y roja, respectivamente).

Sin embargo, este proceso de conversión descendente de fósforo tiene limitaciones. El proceso de conversión descendente es inherentemente ineficiente porque los fotones de alta energía deben perder energía (en forma de calor) para convertirse en fotones de otras energías. Actualmente, los LED blancos utilizados en SSL generan siete veces más calor que la salida de luz. Además, los fósforos son químicamente inestables y añaden importantes costes de materia prima y embalaje (aproximadamente un 20 %) al dispositivo LED.

A pesar del aumento de la eficiencia del LED azul en los últimos años, el SSL que utiliza fósforo solo tiene una eficacia luminosa máxima teórica de 255 lúmenes/vatio (lm/W), mientras que la mezcla de colores de LED puede alcanzar una eficacia luminosa máxima teórica de 408 lm/W. P>

Sin embargo, muchos enfoques establecidos para los LED verdes están plagados de "caída de eficiencia" en altas densidades de corriente. Lograr una emisión verde de alta eficiencia ha sido difícil con el nitruro hexagonal III tradicional, incluso con el aumento del contenido de indio (un elemento costoso necesario para la emisión verde), lo que conduce a mayores densidades de defectos y una caída de la eficiencia. Esto presenta un desafío fundamental para la adopción generalizada de SSL.

"Encontramos una manera de sintetizar nitruro de galio cúbico monofásico de alta calidad y baja densidad de defectos mediante el uso de una técnica de captura de fase de relación de aspecto que ha inventado el grupo Bayram", explica Lee. En el atrapamiento de fase de relación de aspecto, los defectos, así como la indeseable fase hexagonal, quedan "atrapados" dentro de las ranuras de modo que la superficie de la capa activa es un material de fase cúbica perfecto. La fase cúbica y hexagonal se refiere a la forma en que se organizan los átomos de los materiales.

Aquí, los investigadores desarrollaron un sistema de nitruro III cúbico que puede habilitar LED verdes altamente eficientes y sin caídas con un 32% de IQE y solo un 16% de contenido de indio. Este es el IQE más alto reportado para pozos cúbicos con ~30 % menos indio que la cantidad necesaria en un pozo hexagonal tradicional.

Bayram afirma que la brecha verde se puede cerrar utilizando nitruro cúbico III, ya que las ventajas de estos materiales para SSL están bien documentadas tanto teórica como experimentalmente. Las eficiencias reales de los dispositivos cúbicos se han visto obstaculizadas por la calidad y pureza de la fase cúbica, pero la novedosa técnica de captura de fases con relación de aspecto utilizada en esta investigación permite nitruro III cúbico puro y de alta calidad.

Más información: J. Lee et al, Pozo cuántico cúbico de GaN/In0,16Ga0,84N/GaN con emisión verde y una eficiencia cuántica interna del 32 % a temperatura ambiente, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477

Información de la revista: Cartas de Física Aplicada

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois