Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna i sposób wytwarzania takiej diody
ZESPÓŁ AUTORSKI
Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
- Mikołaj Żak (kierownik prac nad diodami BD LED),
- Grzegorz Muzioł,
- Marcin Siekacz,
- Krzesimir Nowakowski-Szkudlarek,
- Henryk Turski,
- Czesław Skierbiszewski (kierownik laboratorium epitaksji z wiązek molekularnych IWC PAN)
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Dwukierunkowa dioda elektroluminescencyjna (BD LED), jest nowatorskim urządzeniem optoelektronicznym, które emituje światło widzialne niezależnie od kierunku przepływu prądu przez urządzenie. Dzięki dwukierunkowym LED mamy szansę na opracowanie nowej generacji urządzeń optoelektronicznych dedykowanych do zasilania bezpośrednio prądem przemiennym. To podejście ma prowadzić do jeszcze bardziej energooszczędnych półprzewodnikowych źródeł światła oraz znacznego uproszczenia ich budowy poprzez wyeliminowanie zewnętrznych zasilaczy.
ISTOTA WYNALAZKU
Diody elektroluminescencyjne (LED) oparte o azotek galu, zrewolucjonizowały rynek oświetlenia na całym świecie będąc 10-krotnie wydajniejszym źródłem światła niż zwykłe żarówki z wolframowym żarnikiem. Standardowe LEDy emitują światło widzialne jedynie przy zasilaniu prądem stałym o określonym kierunku tzn. przy polaryzacji diody w kierunku przewodzenia. Wtedy do obszaru aktywnego dostarczane są elektrony od strony półprzewodnika typu n, natomiast z drugiej od strony półprzewodnika typu p dostarczane są dziury, które rekombinują tam w sposób promienisty. Przykładając napięcie w przeciwnym kierunku dioda jest polaryzowana w kierunku zaporowym i światło nie jest emitowane. Takie właściwości standardowych diod LED sprawiają, że aby wydajnie wykorzystać je oświetleniu domowym należy prąd przemienny z sieci energetycznej przekształcić na prąd stały. W tym celu wykorzystuje się zasilacze AC/DC, których sprawność jest rzędu 80-90%, co oznacza, że w procesie przetwarzania prądu tracimy nawet do 20% energii elektrycznej.
Ten problem skłonił nas do opracowania półprzewodnikowej diody elektroluminescencyjnej przystosowanej do bezpośredniego zasilania prądem przemiennym. Tak powstała idea dwukierunkowej diody elektroluminescencyjnej (BD LED), z której światło jest emitowane niezależnie od kierunku przepływu prądu przez diodę. Tę właściwość uzyskaliśmy dzięki innowacyjnej strukturze wewnętrznej diody zawierającej dwa złącza tunelowe otaczające obszar aktywny. Ta struktura umożliwia efektywne dostarczenie od obszaru aktywnego elektronów i dziur z obydwu stron, w zależności od przyłożonego napięcia do diody BD LED, z uwagi na szczególne właściwości złącz tunelowych, czyli tunelowanie elektronów przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym.
Dodatkową zaletą konstrukcji BD LED jest możliwość ich wertykalnej integracji w stosy jeden nad drugim już na poziomie wzrostu epitaksjalnego tak, aby zwielokrotnić moc optyczną uzyskiwaną z pojedynczego chipu. Np. z pojedynczego urządzenia złożonego ze stosu dziesięciu BD LED, można otrzymać 10-krotnie więcej mocy optycznej przy wykorzystaniu tej samej powierzchni na chipie. Ponadto jest to droga do uproszczenia processingu chipów LED z jednoczesnym dostosowaniem ich do pracy przy wysokim napięciu w sieci.
Na obecnym etapie wytworzono metodą epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) dwukierunkową diodę LED, spełniającą wyżej opisywane własności oraz zaprezentowano możliwość ich wertykalnej integracji na przykładzie stosu dwóch diod BD LED. Na ilustracji w Załączniku 3 pokazujemy oryginalne zdjęcia w widoku z góry z mikroskopu optycznego diody BD LED pracującej przy natężeniu prądu -1 kA/cm2 (ujemnym) oraz +1 kA/cm2 (dodatnim). Natomiast w stosie dwóch diod BD LED udało się podwoić moc optyczną z pojedynczego urządzenia przy zasilaniu prądem stałym o tym samym natężeniu w porównaniu do pojedynczej diody BD LED. Co istotne przy zasilaniu prądem przemiennym o częstotliwości 50 Hz nie zaobserwowano gołym okiem efektu migotania w diodach BD LED.
Wniosek o udzielenie patentu na konstrukcje oraz sposób wytwarzania dwukierunkowych diod LED oraz ich stosów został złożony do Polskiego oraz Europejskiego Urzędu Patentowego, natomiast publikacja naukowa dotycząca tych diod ukazała się na łamach Nature Communications (www.nature.com/articles/s41467-023-43335-7) i została dodatkowo wyróżniona przez zespół edytorski. O tym wynalazku pisały też krajowe media (naukawpolsce.pl, focus.pl) oraz osobiście udzieliłem wywiadu na antenie Trójki Polskiego Radia.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Dwukierunkowe diody elektroluminescencyjne są rozważane jako nowa klasa półprzewodnikowych źródeł światła przystosowanych do zasilania bezpośrednio prądem przemiennym. To pozwoliłoby na ominięcie strat energii wynikających z użycia zasilaczy AC/DC. Jako przyszły docelowy produkt celujemy w emitery światła dużej mocy, co jest szczególnie obiecujące z uwagi na możliwość wertykalnej integracji diod BD LED.
Aby w pełni wykorzystać potencjał drzemiący w BD LED, należy jeszcze udoskonalić strukturę wewnętrzną diod oraz zwiększyć ekstrakcję światła ze struktury. Na tym etapie diody świecą jeszcze niesymetrycznie, tzn. słabiej przy zasilaniu dodatnim napięciem niż ujemnym. Również napięcia pracy są jeszcze wyższe niż w standardowych diodach LED. Aktualnie zacząłem prace nad optymalizacją diod BD LED w projekcie PRELUDIUM NCN, gdzie proponuję poparte symulacjami komputerowymi rozwiązania tych wyzwań.