JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
måndag 14 oktober 2019 VECKA 42

Dagens ultravioletta lysdioder är dåliga på att lämna ifrån sig ljuset de alstrar. Nu har Chalmersforskare, med professor Åsa Haglund i spetsen, utvecklat en metod som gör att ultravioletta lysdioder kan tillverkas likt dagens effektiva blå. Förhoppningen är att bana väg för UV-LED:ar som är fyra till fem gånger bättre än dagens alternativ.

UV-ljus används i många tillämpningar, men lysdioder som ger UV-strålning är för ineffektiva så speciallampor, som kvicksilverlampor, är det som används.

Åsa Haglund

– Lamporna är otympliga och energimässigt ineffektiva. De strålar ut mycket värme istället för ljus och innehåller dessutom kvicksilver som är giftigt, konstaterar Åsa Haglund.

Akilleshälen hos ultravioletta lysdioder är att få ut ljuset.

Dagens bästa versioner har en effektverkningsgrad på strax under 10 procent. Det kan jämföras med de blå lysdioder som används i vita LED-lampor – de har en elektrisk till optisk effektverkningsgrad på upp till 84 procent.

Viktigt om lysdiodens verkningsgrad

För att förstå hur effektiv en lysdiod är, ­eller kan bli, är det väsentligt att bena ut de olika begreppen kring verkningsgrad.

Effektverkningsgraden hos en lysdiod ger ett mått på förhållandet mellan hur mycket elektrisk effekt man kör in i den och hur mycket ljus som kommer ut från den.

Den externa kvantverkningsgraden ger ett mått på förhållande mellan antalet elektroner som skickas in genom de elektriska kontakterna och antal fotoner som kommer ut ifrån lysdioden. Här skalar man bort de resistiva elektriska förlusterna i själva komponenten.

Den externa kvantverkningsgraden, kan i sin tur kan delas upp i tre huvuddelar:

  • Injektionsverkningsgraden – andelen elektroner som når kvantbrunnarna
  • Strålningsverkningsgraden – andelen av de elektroner som når kvant­brunnarna som skapar fotoner
  • Ljus-extraktionsverknings­graden – andelen skapade fotoner som når ut som ljus

Hos dagens UV-lysdioder är det ljus-extraktions-verkningsgraden som är klart lägst. Därmed är det den som framförallt begränsar den externa kvantverkningsgraden. Ett stort problem för dagens UV-LED:ar är således att man har svårt att extrahera ljuset som skapas.

– Så högt når vi inte genom att enbart förbättra ljusutkopplingen. Då krävs förbättringar på alla plan, som förbättrad ströminjektion och effektivare värmebortledning. Men genom att förbättra ljusutkopplingen borde vi kunna nå en effektverkningsgrad på mellan 40 och 50 procent, säger Åsa Haglund.

Att de blå lysdioderna är så effektiva är frukten av många års arbete med att öka den så kallad ljus-extraherings-verkningsgraden, alltså förmågan att extrahera ljus (se ruta).

En väsentlig del i den framgången har varit att avlägsna det tjocka substrat som behövs som underlag för att växa LED-strukturen. Därmed tar man bort material som annars både reflekterar och absorberar ljus. Samtidigt innebär det att diodens topp-yta kan behandlas, eller struktureras som det heter, för att optimera mängden ljus som kan passera ytan. Resultatet är effektiva tunnfilmsdioder som kan flip-chip-monteras.

Hos blå LED:ar tas substratet bort genom att man smälter GaN-materialet exakt vid gränsytan mellan diod och substrat med hjälp av en laser.

– Tyvärr fungerar det inte att göra så med UV-LED:ar eftersom de består av AlGaN, och inte GaN. Det krävs mycket högre temperaturer för att smälta AlGaN och även om man lyckas smälta materialet så blir det kvar aluminiumdroppar på ytan som gör att de två delarna inte vill lossna från varandra.

Istället har forskarna – där Chalmersdoktoranden Michael Bergmann varit den som gjort större delen av jobbet – tittat på att använda en selektiv våtetsteknik.

Michael Bergmann

– Vi vill selektivt etsa ett offer­lager, så att vi sedan bara kan lyfta av LED:en från substratet, säger Michael Bergmann.

En utmaning har varit att material som AlGaN och GaN är väldigt robusta. Du kan i princip stoppa dem i vilken syra, bas eller annan miljö som helst och inget händer.

– Vi måste göra något mer för att få det att etsa, så vi lägger på en potential på vårt prov när det befinner sig i syran. På så sätt hjälper vi materialet att oxidera där strömmen går, därefter kan syran lösa upp det oxiderade materialet som bildas, förklarar Michael Bergmann.

Skissen jämför en typisk UV-LED som finns att få idag (till vänster) med de nya UV-LED:ar som Chalmers tagit fram (till höger).

Denna så kallade elektrokemiska etsning är en teknik vars selektivitet bestäms av skillnaden mellan olika lagers elektriska ledningsförmåga.

Offerlagret som forskarna använder är av AlGaN. Jämfört med övriga delar är det relativt hårt n-dopat för att leda ström bra. Man kan säga att forskarna skapar en elektriskt ledande kanal mellan diod och substrat – det är enbart den som oxideras och löses upp i syran.

Genom att studera den etsade diodytan går det att avgöra hur bra materialen släpper från varandra. Är ytan jämn, utan materialrester, är resultatet bra.

Därför är UV-ljus intressant

UV-strålning delas upp i de tre grupperna UVA, UVB och UVC, där den sistnämnda har allra kortast våglängd – från 100 nm till 280 nm. Solens strålning spänner över alla tre.
I princip all UVC-strålning från solen absorberas av atmosfären. Det innebär att de flesta levande organismer inte har utvecklat ett skydd mot denna strålning.

UVC-strålning kan därför användas för att inaktivera bakterier, sporer och virus – exempelvis för att rena vatten eller sterilisera instrument på sjukhus. Allra bäst fungerar det vid våglängden 265 nm, och idag används speciallampor för att skapa detta ljus.

UVA-strålar har längst våglängd, från 315 nm till 400 nm, medan UVB spänner över våglängderna 280 till 315 nm. Både UVA och UVB kan användas för att exempelvis härda plaster och ytbehandla.

UVB kan även användas för att behandla hudsjukdomar, som exempelvis psoriasis, vitiligo och T-cellslymfom, genom så kallad fototerapi. Med en liten dos UVB går det också att styra metabolismen hos grödor i växthus, så att de blir mer hälsosamma att äta.

– Vi har mätt en ytojämnhet på cirka två nanometer. Det är väldigt lite, nästan atomnära steg i kristallen, säger Åsa Haglund och konstaterar även:

– Vår metod innebär dessutom att man kan återanvända det dyra substratet som lysdioden växer på. Det är en direkt vinst för miljön och på sikt bäddar det för lägre priser på lysdioderna.

Just nu arbetar forskarna med att utveckla en komponent som kan tillverkas på standardmässigt sätt för att sedan underetsas, lyftas loss från substratet och därefter bondas.

En oro finns för att etsningen kan komma att attackera diodens elektriska kontakter på p- och n-sidan. På ovansidan kan det räcka med att lägga på ett skyddslager inför etsningen, vilket är standard i halvledarindustrin idag för att skydda kontakter ifrån olika typer av etsning.

– Samtidigt måste vi förhindra att etsningen attackerar undersidan av lysdioden. Vi tittar på att använda olika skiktade strukturer på bottensidan av komponenten för att blockera etsströmmen att gå in i den, säger Michael Bergmann.

När en optimal lösning är nådd planerar forskarna att tillverka komponenter i labbet på Chalmers – både standard-UV-LED:ar och de nya tunnfilms-UV-LED:arna, för att rättvist kunna jämföra prestanda.

– Förhoppningen är att vi kan visa att den nya LED:en är 4–5 gånger bättre. Där hoppas vi vara om ett halvår. Eller säg ett år, så har vi lite marginal, skrattar Åsa Haglund, och avslöjar:

Finansiering och samarbete

Inom projektet samarbetar Chalmers med det tekniska universitetet i Berlin, som har lång erfarenhet av att växa material och tillverkar UV-LED:ar med verkligt hög prestanda.
Den svenska delen finansieras av Stiftelsen för Strategisk Forskning och Vetenskapsrådet. SSF:s del tar slut till sommaren, medan VR nyligen gav Åsa Haglund ett stort projektanslag för ytterligare sex års forskning kring UV-lysdioder och UV-lasrar baserade på den beskrivna tekniken.

– Om vi lyckas göra något bra här så vill vår samarbetspartner, det tekniska universitetet i Berlin som är expert på att växa material och tillverka UV-LED:ar med verkligt hög prestanda, väldigt gärna också testa att tillverka våra dioder hos sig för att se att de får samma goda resultat.

Parallellt med LED-utvecklingen tittar Chalmersforskarna på att använda samma teknik för att ta fram laserdioder för UV-området, så kallade UV-vertikalkavitetslaserdioder.

– Det verkar också väldigt lovande. Inom kort hoppas vi kunna visa upp en första komponent som lasrar runt 310 nm. Nästa steg är att nå ännu kortare våglängder.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Vertikalkavitetslasrar och lysdioder är på många sätt ganska lika. En viktig skillnad är att du kan få mycket högre intensitet med en laser eftersom ljuset är samlat.

– Lasrar är väldigt intressant i exempelvis vattenrenings­tillämpningar, som behöver högre intensitet än man har idag, men också för mer riktade belysningstillämpningar, för att till exempel lokalt behandla sjukdomar.

MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)