Nanowires for Solid State Lighting
- Reference number
- EM11-0015
- Start and end dates
- 120101-161231
- Amount granted
- 16 000 000 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
We will develop the materials science & technology underlying future systems for energy-efficient lighting, based on the technology of forming nanowires (NWs) on a silicon platform for light-emitting diodes (LEDs). This effort is based on more than ten years of studies of growth and properties of compound semiconductor NWs. A key ambition is to create four separate colors as direct LED emitters, i.e. without the use of phosphors used in today's technologies. Our approach covers two primary materials systems, III-nitride materials for Blue and Green emission, and III-V materials for Yellow and Red. The research is structured into four tasks; (i) Growth and Microscopy; (ii) Electro-optical Characterization; (iii) Physics and Modeling, and (iv) Processing and LED devices. While the Materials research in areas (i)-(iii) is performed in the university environment, we will in area (iv) interact with the LED-company Glo AB at Ideon Science Park. Glo will support our efforts with LED processing technologies, evaluation of key device aspects like light output coupling, wavelength control and droop performance, and in assessment of productification and cost advantages. We expect to reach internal quantum efficiencies for all four colors, exceeding 80%, and external quantum efficiencies better than 50% during the course of this project. Thereby we take on a challenge to deliver technology enabling efficacy values better than 200 lm/W, with potential to reach beyond 300 lm/W.
Popular science description
Under senare år har ny kunskap vuxit fram om hur välmåendet hos människor, djur och växter påverkas av ljus och dess färgsammansättning. Inom medicin och psykologi studeras främst aspekter kring den dygnsrytmen och relaterade sjukdomstillstånd. För odling av växter har man funnit att att fotosyntes och tillväxt kan optimeras genom att balansera röda och blå lysdioder (LED), med stora energi- och miljöbesparingar. Det ljus som emitteras från glödlampans glödtråd motsvarar dess temperatur, vilken typiskt är tusentals grader. Den dominerande strålningen från en glödlampa motsvarar fotoner långt ut i den infraröda delen av spektret, vilket vi uppfattar som att lampan strålar ut värme. I en atom och i en lågenergilampa ”hoppar” en elektron till lägre energitillstånd och energiskillnaden övergår i en foton, dvs ljus. Tyvärr bygger dessa på användning av miljöfarligt kvicksilver. I en lysdiod kopplar man en spänning (2-4 volt) till dioden, vilket resulterar i att elektroner ”hoppar” över halvledarens bandgap. Färgen har alltså inget att göra med temperaturen utan bestäms av bandgapet. Medan glödlampan omvandlar ca 4% av den tillförda elektriska energin till ljus, så kan en lysdiod omvandla mer än 50%. Globalt förbrukas ca 3000 TWh för belysning. Med LED-tekniken kan man spara 90% av den el som används för belysning och spara mer än 20% av all elenergi. Lysdioder har en ”brinntid” på mer än 50 000 timmar, medan en glödlampas ”brinntid” typiskt är 1000 timmar. I detta projekt skall vi utveckla material för lysdioder baserade på nanotrådar, där varje nanotråd utgör en liten lysdiod och där miljontals sådana nano-LEDar utgör lampan. Dessa lysdioder kan odlas på stora och billiga kiselbrickor vilket drastiskt reducerar kostnaden. Vi skall optimera Blåa, Gröna, Gula och Röda lysdioder, vilket ger viktiga fördelar: · de ger möjlighet att avstämma färgtemperaturen hos ljuskällan, · man undviker fosforer som används i dagens vita lysdioder där en blå LED exciterar en fosfor som ger gult ljus, vilket sammantaget ger vitt (men dåligt) ljus. · effektiviteten, mätt i lm/W, blir mycket högre med multipla LEDs, och vi förväntar oss att förbättra ljusutbytet med 50-100% jämfört med vad dagens LED-teknik i framtiden kan uppnå. Materialforskningen inom projektet kommer att samverka intimt med nano-LED-teknologin som utvecklats inom Glo AB vid Ideon i Lund, vilket vi räknar med kan leda till en stor svensk halvledarindustri.