La miscelazione dei colori è il processo di combinazione di due o più colori:il rosso e il verde danno il giallo, il blu e il rosso danno il viola, il rosso e il verde e il blu danno il bianco. Questo processo di miscelazione dei colori è la base per il futuro dell’illuminazione a stato solido. Mentre attualmente la luce bianca viene ottenuta mediante downconversion del fosforo, la miscelazione dei colori dei LED ha in realtà un'efficienza massima teorica più elevata, necessaria per raggiungere gli obiettivi di efficienza energetica del DOE del 2035.

Nonostante la potenziale efficienza delle sorgenti LED a colori misti, esiste una sfida significativa:il verde. Il "gap verde" viene descritto come la mancanza di LED verdi adatti. Gli attuali LED verdi sono realizzati con nitruro III esagonale all'avanguardia, ma raggiungono solo un terzo degli obiettivi di efficienza stabiliti nella tabella di marcia DOE 2035.

In un nuovo studio, i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno trovato un potenziale percorso per colmare il divario verde e segnalare uno strato attivo di nitruro cubico III che emette verde con il 32% di efficienza quantica interna (IQE), che è più di Efficienza 6 volte superiore a quanto riportato in letteratura per gli strati attivi cubici convenzionali.

"L'obiettivo finale è triplicare l'efficienza degli attuali diodi a emissione di luce bianca. E per farlo, dobbiamo colmare il divario verde nello spettro, il che non è un compito facile. C'è bisogno di innovazione. E noi mostriamo l'innovazione dai materiali utilizzando nitruri cubici", afferma il professore di ingegneria elettrica e informatica Can Bayram, che ha condotto questo lavoro insieme allo studente laureato Jaekwon Lee.

I risultati di questa ricerca sono stati recentemente pubblicati su Applied Physics Letters come articolo di copertina del numero.

Oggi, i LED bianchi più efficienti utilizzano diodi a emissione di luce blu con un rivestimento di fosforo di terre rare che converte la luce blu in gialla, verde e/o rossa consentendo l'illuminazione bianca. Questo processo è chiamato downconversion del fosforo. I fosfori sono materiali luminescenti che possono assorbire e convertire fotoni ad alta energia (come la luce blu) in luce a energia inferiore/lunghezza d'onda più lunga (come verde, giallo e rosso, rispettivamente).

Questo processo di riduzione del fosforo, tuttavia, presenta dei limiti. Il processo di down-conversion è intrinsecamente inefficiente perché i fotoni ad alta energia devono perdere energia (sotto forma di calore) per essere convertiti in fotoni di altre energie. Attualmente, i LED bianchi utilizzati nell’SSL generano sette volte più calore dell’emissione luminosa. Inoltre, i fosfori sono chimicamente instabili e aggiungono notevoli costi di materie prime e imballaggio (di circa il 20%) al dispositivo LED.

Nonostante l'aumento dell'efficienza dei LED blu negli ultimi anni, l'SSL che utilizza i fosfori ha solo un'efficacia luminosa massima teorica di 255 lumen/watt (lm/W), mentre la miscelazione dei colori dei LED può raggiungere un'efficacia luminosa massima teorica di 408 lm/W.

Tuttavia, molti approcci consolidati per i LED verdi sono afflitti da un “calo di efficienza” a densità di corrente elevate. Raggiungere un’emissione verde ad alta efficienza è stato difficile con il tradizionale nitruro III esagonale anche con l’aumento del contenuto di indio – un elemento costoso richiesto per le emissioni verdi – che porta a densità di difetti più elevate e calo di efficienza. Ciò rappresenta una sfida fondamentale per l'adozione diffusa di SSL.

"Abbiamo trovato un modo per sintetizzare nitruro di gallio cubico monofase a bassa densità di difetti e di alta qualità, utilizzando una tecnica di intrappolamento di fase con proporzioni che il gruppo Bayram ha inventato", spiega Lee. Nell'intrappolamento di fase del rapporto d'aspetto, i difetti, così come la fase esagonale indesiderata, vengono "intrappolati" all'interno delle scanalature in modo che la superficie dello strato attivo sia un materiale a fase cubica perfetto. La fase cubica ed esagonale si riferisce al modo in cui gli atomi nei materiali si organizzano.

Qui, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di nitruro cubico III che può consentire LED verdi altamente efficienti e privi di droop con un IQE del 32% e solo il 16% di contenuto di indio. Questo è l'IQE più alto riportato per i pozzi cubici con circa il 30% in meno di indio rispetto alla quantità necessaria in un pozzo esagonale tradizionale.

Bayram afferma che il divario verde può essere colmato utilizzando il nitruro cubico III, poiché i vantaggi di questi materiali per SSL sono ben documentati sia teoricamente che sperimentalmente. L'efficienza effettiva dei dispositivi cubici è stata ostacolata dalla qualità e dalla purezza della fase cubica, ma la nuova tecnica di intrappolamento di fase del rapporto d'aspetto utilizzata in questa ricerca consente di ottenere nitruro cubico III puro e di alta qualità.

Ulteriori informazioni: J. Lee et al, Pozzo quantico cubico GaN/In0.16Ga0.84N/GaN a emissione verde con efficienza quantica interna del 32% a temperatura ambiente, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477

Informazioni sul giornale: Lettere di fisica applicata

Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering