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

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

____________ 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

______________ Vergleich – LED - OLED _____________ Anorganische LED + Hohe Lichtausbeuten + Geringe Energieverbrauch + Hohe Lebensdauer und Stabilität – Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden) t [h] 𝜂[lm/W] L [cd/m2] >30000 30-50 10000000 3600K 36 18% 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

______________ Vergleich – LED - OLED _____________ Anorganische LED + Hohe Lichtausbeuten + Geringe Energieverbrauch + Hohe Lebensdauer und Stabilität – Hoher Anschaffungspreis (Seltenerden) t [h] 𝜂[lm/W] L [cd/m2] >30000 30-50 10000000 <5000 10-25 1000 3600K 36 18% 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

________________ 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

____________ 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

____________ 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

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

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

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

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

_________ 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, 2005 colorfoto.de th.physik.uni-frankfurt.de

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

________________ 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

_________ 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

_________ 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

_________ 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

__________ 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

__________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

__________ Synthesebeispiele__________ Ca3N2 + Si3N4 + EuF3 CaSiN2:Eu (620nm) LaN + Si3N4 + Eu2O3 LaSi3N5:Eu,O (550nm) 2 Sr/Eu + 5 Si(OH)2 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

__________ Luminophore - Ein Weg zur Weißen LED __________ Additive Farbmischung über Luminophore (Phosphore) UV:RGB oder B:G Y3Al5O12:Ce3+ Sr2Si5N8:Eu2+ SrSi2O2N2:Eu2+ InGaN Blaue LED UV LED weißes Licht 400 500 600 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

____________ 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

____________ 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

________________ Literaturquellen________________ R. Mueller-Mach, G. Mueller, M. R. Krames, et al., Highly efficient all-nitride phosphor- converted white light emitting diode, 2005, 209, 1727-1732 T. Jüstel, et. al, Entwicklungen auf dem Gebiet lumineszierender Materialien für Beleuchtungs- und Displayanwendungen, Angew. Chem,1998, 110,3250-3271 I. Akasaki, The evolution of group III nitride semiconductors seeking blue light emission, Mat. Sc. Eng, 2000, 1001-106 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, 10218-10228 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 https://en.fh-muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/AlGaN______UV- LEDs_MatthiasMueller_.pdf J.Breu, Vorlesungsskript, Universität-Bayreuth, 2011 http://www.uni-magdeburg.de/ahe/lab/mocvd.html Keun-Man Song et al., Journal of Crystal Growth, 2001, 233 439–445 _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 19

________________ Bildquellen________________ http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/PeriodicProperties/Met alBonding/images/red_yellow.jpg http://th.physik.uni- frankfurt.de/~scherer/Blogging/BlueLED/GaNBandStructureDirectGap.jpg http://www.growlightsolutions.com/wp-content/uploads/2011/11/ledweiss.jpg http://www.chemie.uni-jena.de/institute/oc/weiss/peroxyoxalat.htm http://spectrum.ieee.org/image/844731 https://web.tradekorea.com/upload_file/prod/marketing/mkt_files/company/h /hunin/img/oimg_CA00183473.jpg http://www.leifiphysik.de/web_ph10/grundwissen/15dotierung/dotierung.htm http://www.oled.si/tv/wp-content/gallery/oled-display/oled-flexible-pieces.jpg http://www.led-info.de/grundlagen/leuchtdioden/weisslicht-led/lumineszenz- konversion.html http://www.ikts.fraunhofer.de/forschungsfelder/werkstoffe/precusorkeramik/le uchtstoffe/ http://www.lichtchef.de/images/osram/OSRA153531.jpg _________________________________________________________________________________________________ Michael Mader Anorganische LEDs Universität Bayreuth 20

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