Michael Mader Hauptseminar - Universität Bayreuth

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1 Michael Mader Hauptseminar - Universität Bayreuth 17.7.2012
sciencedaily.com Anorganische LEDs ______________________________________________________________________________________ Michael Mader Hauptseminar - Universität Bayreuth

2 __________Inhalt___________
Klassifizierung Vergleich LED/OLED Aufbau Grundlagen und Funktionsweise Weg zur weißen LED Luminophore/Phosphore

3 ____________ Klassifizierung-Lichtquellen____________
Entladungslampen Lichtquellen Festkörperlampen Temperatur Lumineszenz Strahler Gasentladung Glühlampen Leuchtdioden chemische Lichtquellen Hochdruck-/ Niederdrucklampen Halogenlampen Biolumineszenz anorganisch organisch OLED oldskoolman.de _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 1 lichtchef.de growlightsolutions.com chemie.uni-jena

4 ______________ Vergleich – LED - OLED _____________
Anorganische LED + Hohe Lichtausbeuten + Geringe Energieverbrauch + Hohe Lebensdauer und Stabilität – Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden) t [h] 𝜂[lm/W] L [cd/m2] > 3600K % Organische LED + Höhere Flexibilität + niedrigere Herstellungskosten – Geringe Lichtausbeute und Leuchtdichte – Lebensdauer der Farben zu unterschiedlich LED OLED Innovationsvortrag Dr. Jüstel Hal. oled.si _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 2

5 ______________ Vergleich – LED - OLED _____________
Anorganische LED + Hohe Lichtausbeuten + Geringe Energieverbrauch + Hohe Lebensdauer und Stabilität – Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden) t [h] 𝜂[lm/W] L [cd/m2] > < 3600K % Organische LED + Höhere Flexibilität + niedrigere Herstellungskosten – Geringe Lichtausbeute und Leuchtdichte – Lebensdauer der Farben zu unterschiedlich LED OLED Innovationsvortrag Dr. Jüstel Hal. oled.si _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 2

6 ________________ Aufbau ________________
Fokussierung des Lichts Schutz vor Feuchtigkeit und Sauerstoff _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 3 fremo-hemsbach.de mazda-forum.info Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel

7 ____________ Dotierung – p/n-Halbleiterdioden___________
Halbeitergitter: Germanium -1x e- => p-Dotierung +1x e- => n-Dotierung p-Dotierung HG-Elemente: Akzeptoratome: III Donatoratome: V n-Dotierung _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 4 JG Universität - Mainz leifiphysik.de

8 ____________ Gleichrichter – p/n-Halbleiterdioden___________
Kombination von p- und n-Schicht p/n-Übergang Diffusion von e- und Defekt-e- Ausbildung von Raumladungszonen Sperrstrom – n p Durchlassstrom – Raumladungszonen – – – – – – – – – n-Dotierung p-Dotierung _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 5 leifiphysik.de

9 _________Gleichrichtereigenschaften_______
n p elektr. Strom – e- Sperrstrom: n p – _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 6 leifiphysik.de

10 _________Gleichrichtereigenschaften_______
Valenzband Leitungsband Rekombination n p elektr. Strom – e- Sperrstrom: n p – _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 7 leifiphysik.de

11 _________Rekombinationsprozess_______
Valenzband Leitungsband Rekombination n p e- – elektr. Strom Durchlassstrom: n p – _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 8 leifiphysik.de

12 _________Rekombinationsprozess_______
Valenzband Leitungsband Rekombination n p e- – elektr. Strom Durchlassstrom: n p – _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 9 leifiphysik.de

13 _________ Direkte-/Indirekte Halbleiter_______
Indirekter Halbleiter SiC Direkter Halbleiter _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 10 X. Pengshou et al., Theoretical studies on bandstructure and optical properties of 3C–SiC, colorfoto.de th.physik.uni-frankfurt.de

14 ________________ Lichteigenschaften________________
Wellenlänge [nm] Intensität rel. monochromatisches Licht Lichtleistung 𝜂[lm/W] ∝ Betriebsstrom _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 11 Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel

15 ________________ Lichteigenschaften________________
Wellenlänge [nm] Intensität rel. monochromatisches Licht Lichtleistung 𝜂[lm/W] ∝ Betriebsstrom von UV- bis IR-Strahlung alles realisierbar _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 11 Innovationsvortrag Prof. Dr. Jüstel chemistry.wustl.edu

16 _________ Steuerung der Bandlücke________
(CH3)3Ga + NH3 -> GaN (s) + 3 CH4 (g) „Gasphasenepitaxie“ Größere Quantenzahl (n) des eingebrachten Elements => kleiner Bandlücke Ionischen Bindungsanteil (ΔEN) erhöhen => größere Bandlücke _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 12 ruby.chemie.uni-freiburg.de / Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 233, 2001, 439–445

17 _________ Steuerung der Bandlücke________
(CH3)3Ga + NH3 -> GaN (s) + 3 CH4 (g) „Gasphasenepitaxie“ 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 Größere Quantenzahl (n) des eingebrachten Elements => kleiner Bandlücke Ionischen Bindungsanteil (ΔEN) erhöhen => größere Bandlücke _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 12 ruby.chemie.uni-freiburg.de / Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 233, 2001, 439–445

18 _________ Variation der emittierten Wellenlänge_______
In0,15Ga0,85N In0,25Ga0,75N In0,35Ga0,65N _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 13 ruby.chemie.uni-freiburg.de

19 __________ Der Weg zur Weißen LED __________
Additive Farbmischung RGB oder BG _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 14 led-info.de sciencedaily.com Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel

20 __________Phosphore/Luminophore__________
Umwandlung von höherenergetischem Licht in niederenergetisches Wärme E UV Lumineszenz Ce3+ Te3+ Seltenerdotiertes Strontiumaluminat LaSi3N5:Eu,O CeMgAl11O19:Tb CaSiN2:Eu _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 15 Chemie&More, Heft 1, 2010 ikts.fraunhofer.de

21 __________ Synthesebeispiele__________
Ca3N2 + Si3N4 + EuF CaSiN2:Eu (620nm) LaN + Si3N4 + Eu2O LaSi3N5:Eu,O (550nm) 2 Sr/Eu + 5 Si(OH) Sr2Si5N8:Eu (615nm) + N2 + 5 H2 1400°C, N2 1900°C, N2 1650°C, N2 _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 16 Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel

22 __________ Luminophore - Ein Weg zur Weißen LED __________
Additive Farbmischung über Luminophore (Phosphore) UV:RGB oder B:G Y3Al5O12:Ce3+ Sr2Si5N8:Eu SrSi2O2N2:Eu2+ InGaN Blaue LED UV LED weißes Licht 400 500 Wellenlänge [nm] 600 500 400 _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 17 D.Rauber JG-Universität Mainz led-info.de Farben und Licht UBT Inkohärente Lichtquellen Dr. Jüstel

23 ____________ pc-LEDs – Weiße LEDs___________
pc-LED: „phosphor-coated LEDs“ - Leuchtstoffbeschichtete LEDs _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 18 R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor-converted white light emitting diode, 2005

24 ____________ pc-LEDs – Weiße LED___________
pc-LED: „phosphor-coated LEDs“ oder Leuchtstoffbeschichtete LEDs Inkohärente Lichtquellen Prof. Dr. Jüstel _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 18 R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor-converted white light emitting diode, 2005

25 ________________ Literaturquellen________________
R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor- converted white light emitting diode, 2005, 209, T. Jüstel, et. al, Entwicklungen auf dem Gebiet lumineszierender Materialien für Beleuchtungs- und Displayanwendungen, Angew. Chem,1998, 110, I. Akasaki, The evolution of group III nitride semiconductors seeking blue light emission, Mat. Sc. Eng, 2000, 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, 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 LEDs_MatthiasMueller_.pdf J.Breu, Vorlesungsskript, Universität-Bayreuth, 2011 Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 2001, –445 _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 19

26 ________________ Bildquellen________________
alBonding/images/red_yellow.jpg frankfurt.de/~scherer/Blogging/BlueLED/GaNBandStructureDirectGap.jpg /hunin/img/oimg_CA jpg konversion.html uchtstoffe/ _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 20

27 für Ihre Aufmerksamkeit
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit