Wit licht uit nanozuilen

Onderzoekers van het Paul-Drude-Institut für Fest-körperelektronik ontwikke-len samen met de industrie en andere onderzoeks-instituten witte lichtdioden (LED’s), die zijn gebaseerd op witte nanozuilen. De productie van witte LED’s zou daardoor beduidend goed-koper kunnen worden. De ontwikkeling heeft plaats in het kader van het EU-project SMASH (Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions).

Wit licht is een menging van verschillende spectrale kleuren. Witte LED’s bestaan in de regel uit galliumnitride (GaN) dat atoom na atoom als een dunne laag op een saffiersubstraat wordt gekweekt. Deze LED’s geven eerst blauw licht, dat met kleurstof gedeeltelijk tot geel licht wordt omgevormd. Geel en blauw samen geeft dan wit licht. Saffier als substraat maakt de productie van witte LED’s kostbaar, wat de massale toepassing tot nog toe in de weg staat. Bovendien heeft het licht nog niet de optimale kleur.

Op silicium
In het kader van het EU project, dat wordt gecoördineerd door Osram, willen fysici nu GaN-zuilen laten groeien in plaats van lagen. Het saffier substraat willen ze vervangen door het goedkopere silicium, het gangbare materiaal in de halfgeleidertechniek. Dit kan als substraat tot nog toe niet gebruikt worden; de GaN-lagen willen er niet op groeien door de verschillende kristaleigenschappen, die materiaalspanningen en defecten veroorzaakten.

Bij nanozuilen is de invloed van het substraat op de groei van nanozuilen veel geringer en is eventuele spanning er na een aantal atoomlagen uitgegroeid. De eerste proeven tonen aan, dat de GaN-zuilen uitstekende kristaleigenschappen hebben. Ook hebben de zuilen een groter oppervlak en kunnen zodoende meer licht uitstralen vanaf dezelfde basis. Dat verhoogt de lichtopbrengst van de LED. Om dit licht wit krijgen willen de onderzoekers binnen de GaN-zuilen lagen met verschillend indiumgehalte leggen. Dit gehalte bepaalt de golflengte dus ook de kleur van het licht. De zuilen stralen uit verschillende lagen verschillende kleuren, wat gezamenlijk wit licht oplevert. De omvorming van gekleurd licht is dat niet meer nodig.

Toekomstperspectief
De onderzoekers moeten echter nog veel problemen oplossen. Zo groeien de zuilen op dit moment nog onregelmatig. In het ideale geval moeten ze precies even groot zijn en een even grote onderlinge afstand hebben. Ook moet het bijmengen van indium nog nauwkeurig worden bepaald. Allereerst willen de onderzoekers nagaan welke invloed het proces van groeien van de nanozuilen heeft op de samenstelling en optische eigenschappen.

Verlichting neemt op dit moment ongeveer 20% van het energieverbruik voor haar rekening. Omdat LED’s efficiënte lichtbronnen zijn, zou veel energie kunnen worden bespaard. Maar dat kan nog even duren. Pas als witte LED’s in massa kunnen worden geproduceerd, zullen ze andere lichtbronnen aflossen.

• website van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik