Materiali avanzati per LED altamente efficienti

Offrendo grandi promesse per un minor consumo energetico e alti rendimenti di conversione, gli apparecchi di illuminazione con sorgenti di luce a stato solido vantano il potenziale per rivoluzionare il settore dell’illuminazione. Ulteriori progressi nella resa luminosa ad alte correnti, con eccellente resa cromatica a basso costo, comporterebbero una significativa diffusione relativa a tale tecnologia.

Il progetto ALIGHT (AlGaInN materials on semi-polar templates for yellow emission in solid state lighting applications), finanziato dall’UE, sta ricercando materiali per tali dispositivi di illuminazione migliorati, sviluppando nuovi modelli semipolari a superficie estesa mediante substrati di silicio e zaffiro. Questi modelli semipolari contribuiscono alla riduzione dei campi elettrici insiti nei LED, i quali influiscono sulla loro efficienza e stabilità del colore, e forniscono una piattaforma a superficie estesa e a basso costo per la crescita degli strati LED. Il progetto sta inoltre utilizzando materiali in nitruro di gallio, alluminio e indio (InAlGaN) per gli strati che emettono luce, e ha come obiettivo l’emissione blu e gialla.

Una sfida importante riguarda lo schema del wafer utilizzato per generare e fondere piani semipolari sul substrato di zaffiro strutturato. A tale scopo, gli scienziati stanno valutando l’impatto dei parametri di orientamento e crescita del substrato mediante misurazioni dei raggi X, luminescenza e immaginografia su scala atomica. L’epitassia di fase del vapore metallorganica e mediante idruro (MOVPE e HVPE, rispettivamente) viene impiegata per la crescita degli strati sui substrati. Il materiale attivo luminescente è costituito da pozzi quantici con un’alta efficienza ottica e un’eccellente purezza del colore.

Durante il primo periodo del progetto, gli scienziati hanno effettuato un lavoro significativo per quanto riguarda la crescita di modelli semipolari in GaN mediante diversi approcci.

I partner del progetto hanno impiegato la tecnica HVPE per la crescita di GaN sulla cima di uno strato di GaN cresciuto mediante MOVPE e inizialmente preparato su zaffiro pre-strutturato. Quindi, gli strati InGaN sono stati fatti crescere su modelli GaN semipolari con temperature di crescita differenti. Le strutture InGaN semipolari con spessori differenti sono state ottimizzate, raggiungendo alte efficienze di conversione luminosa negli spettri blu e giallo.

Una svolta conseguente ai dispositivi in aumento che vantano substrati semipolari sta contribuendo al superamento dei problemi dovuti alla riduzione nell’efficienza luminosa dei LED. Sostituendo le attuali tecnologie di illuminazione con l’illuminazione a stato solido basata sui LED InGaN, probabilmente si otterrà una riduzione dell’energia elettrica fino al 5.