Projekt SONATA
„Obejście pól piezoelektrycznych w heterostrukturach azotków grupy III – droga do rozwiązania problemu "green gap"”

Opis projektu

Diody elektroluminescencyjne (LED) oparte na azotkach metali grupy trzeciej są wykorzystywane w rosnącej liczbie zastosowań. Największym z nich jest oświetlenie, które jest odpowiedzialne za 15% światowej konsumpcji energii elektrycznej. Departament Energii Stanów Zjednoczonych Ameryki przewiduje oszczędności w konsumpcji energii elektrycznej na poziomie 260 TWh do roku 2030, tylko dzięki użyciu diod LED. To spowoduje ograniczenie zużycia paliw kopalnianych, zanieczyszczenia powietrza i emisji gazów cieplarnianych. Te gigantyczne oszczędności biorą się z wyjątkowej sprawności diod LED opartych na InGaN emitujących światło fioletowe i niebieskie, i były powodem przyznania nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 roku wynalazcom białych LEDów – prof. Shuji Nakamura, prof. Isamu Akasaki and prof. Hiroshi Amano. Na dzień dzisiejszy światło białe w diodach LED jest generowanie poprzez mieszanie światła fioletowego (bądź niebieskiego) pochodzącym z InGaN ze światłem żółtym z fosforku, pobudzanego przez światło pochodzące z InGaN. Taka konwersja z fioletowego (bądź niebieskiego) do żółtego koloru wiąże się ze stratą energii. Lepszym podejściem jest mieszanie kolorów niebieskiego, zielonego i czerwonego, które pochodziłyby bezpośrednio z materiału półprzewodnikowego. Jednakże, sprawność kwantowa emiterów światła zielonego jest wąskim gardłem tego rozwiązania. Poprawa sprawności zielonych diod LED przełożyłaby się na ograniczenie zużycia energii elektrycznej na światową skalę.

Wartość projektu: 1 385 887,00 PLN
Projekt finansowany przez Narodowym Centrum Nauki w ramach programu SONATA.


Problemem naukowym,

który proponowany projekt ma rozwiązać jest spadek wewnętrznej sprawności kwantowej heterostruktur opartych na azotkach grupy III w zielonym obszarze widma, potocznie nazywany jest problemem „green gap”. Rysunek 1(a) przedstawia zależność spektralną maksymalnej zewnętrznej sprawności kwantowej (EQE) diod LED. Przyrządy oparte o azotki mają wysoką sprawność w krótkich długościach fali (kolory fioletowy i niebieski). Głównym powodem mniejszej sprawności w zielonym kolorze jest spadek siły oscylatora studni kwantowych.


Rysunek 1. (a) Spektralna zależność maksymalnej zewnętrznej sprawności kwantowej Rysunek zaczerpnięty z M. Auf der Maur et al., Physical Review Letters 116, 027401 (2016). (b) Schemat pasmowy szerokich studni kwantowej w trakcie pobudzania.

Badania proponowane w projekcie

mają na celu zbadanie nowego zjawiska zaproponowanego niedawno przez naszą grupę, które może rozwiązać problem „green gap”. Pokazaliśmy, że w szerokich studniach InGaN istnieje zaskakująco efektywny kanał rekombinacji. Jest to sprzeczne z intuicją, ponieważ szerokie studnie InGaN powinny mieć niską siłę oscylatora, ze względu na znaczącą separację funkcji falowych elektronów i dziur. Jednakże, duża siła oscylatora w tych heterostrukturach pochodzi z przejść pomiędzy stanami wzbudzonymi studni kwantowej. Rysunek 1(b) przedstawia schemat pasmowy szerokiej studni kwantowej w trakcie pobudzania.

Przewiduje się, że rezultaty projektu rzucą nowe światło na fizykę przejść promienistych w szerokich studniach InGaN. Demonstracja wysokoskładowych, szerokich studni InGaN z duża siła oscylatora pomoże zwiększyć sprawność długofalowych diod LED i w przyszłości zmniejszy problem „green gap”.


Publikacje

Projekt realizowany w latach 2020-2023


Zespół badawczy

Zespół badawczy projektu: