Nieuw fosfor verhoogt LED-efficiëntie met hoge thermische stabiliteit

Fosfor-geconverteerde LED's (pcLED's) synthetiseren zichtbaar licht door op GaN gebaseerde blauwe of bijna-ultraviolette (nUV) chips te combineren met neerwaarts converterende fosforen. Deze fosforen absorberen een deel van het excitatielicht van de chip en zetten dit om in langere golflengten, die zich vervolgens vermengen met resterend blauw licht om wit licht te produceren. Sinds de komst van GaN-LED's met hoge helderheid in de jaren negentig zijn pcLED's alomtegenwoordig geworden in LCD-achtergrondverlichting (BLU), algemene verlichting en gespecialiseerde verlichtingstoepassingen. Omdat de fosforprestaties rechtstreeks de kleurkwaliteit en energie-efficiëntie bepalen, is de materiaalontwikkeling de kritische motor geworden voor de penetratie van de LED-markt.

De vroege pcLED-ontwikkeling was gebaseerd op fosforen die oorspronkelijk waren ontworpen voor CRT-beeldschermen en fluorescentielampen. Met cerium gedoteerd yttriumaluminiumgranaat (YAG:Ce) werd de hoeksteen van de industrie vanwege de hoge conversie-efficiëntie en superieure witlichtsynthese. Later werden met europium gedoteerde aardalkali-orthosilicaten (BOSE) geïntroduceerd als aanvullende gele fosforen voor toepassingen met laag vermogen.

PCLED's hebben echter te maken met een fundamentele beperking: fosforen onderhouden direct fysiek contact met LED-chips en zijn bestand tegen operationele temperaturen tussen 100 °C en 150 °C. Traditionele fosforen vertonen onder deze omstandigheden een aanzienlijke verslechtering van de lichtefficiëntie (thermische uitdoving), waardoor de prestaties van krachtige LED's ernstig worden beperkt. Bijgevolg is het ontwikkelen van fosforen die >90% lumenbehoud behouden bij 150°C, de belangrijkste onderzoeksprioriteit van de industrie geworden.

In het begin van de jaren 2000 richtten onderzoekers zich op vuurvaste materialen met hoge smeltpunten, met name nitriden en oxynitriden. Nitridefosforen (bijv. CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-sialon:Ce) hebben kristalstructuren gebaseerd op [SiN4] of [AlN4] tetraëdrische netwerken. In tegenstelling tot conventionele oxiden of halogeniden positioneren deze materialen Eu2+- of Ce3+-activatoren in directe coördinatie met stikstofatomen. De sterkere covalente binding en hogere polariseerbaarheid van stikstofatomen veroorzaken een uitgesproken "spectraal roodverschuivingseffect" (nepheauxetisch effect), waardoor efficiënte absorptie van blauw licht en groen-naar-rode emissie mogelijk is naast uitzonderlijke thermische stabiliteit.

Thermische uitdoving komt voornamelijk voort uit niet-stralingsovergangen tussen aangeslagen toestanden en grondtoestanden. Kristallografische analyse onthult een positieve correlatie tussen materiaalhardheid en thermische stabiliteit. Terwijl silicaten een bescheiden hardheid vertonen (9–13 GPa), vertonen materialen als Si3N4 (16–20 GPa) en SiC (24,5–28,2 GPa) een uitzonderlijke stijfheid. Dit inzicht leidde tot de ontwikkeling van geavanceerde fosforklassen:

• Carbidonitride-serie: Het opnemen van koolstofatomen in Sr2Si5N8-matrices verbetert de roosterstijfheid, waardoor het lumenbehoud bij hogere temperaturen dramatisch wordt verbeterd.
• Oxycarbidonitride-serie: Chemische modificatie van Sr7Al12O25 door middel van Si-N/Al-O kruissubstitutie produceert hoogwaardige groene fosforen. Experimentele gegevens bevestigen dat gecontroleerde koolstofopname de roosterstijfheid verhoogt, waardoor de thermische stabiliteit wordt vergroot.

Hoewel de huidige fosforen de pcLED-prestaties hebben verhoogd tot de normen voor fluorescentielampen, blijft de industrie de efficiëntiebenchmark van 200 lm/W nastreven. Belangrijke onderzoeksgebieden zijn onder meer:

• Smalband-emissie: Optimalisatie van de rode emissiebandbreedte om energieverlies te minimaliseren en spectra beter af te stemmen op menselijke fotopische gevoeligheidscurven.
• Materiaaltechniek: Ontwikkeling van nieuwe gastheerkristallen op basis van structurele Si3N4- en SiC-eenheden om thermische uitdoving verder te onderdrukken door middel van roosterstijfheidscontrole.
• Toepassingsspecifiek maatwerk: Nauwkeurige afstemming van metaalionverhoudingen om op maat gemaakte fosforen te creëren voor gespecialiseerde verlichtingsvereisten (bijv. hoge CRI, specifieke CCT-waarden).