Dioda elektroluminescencyjna o zmiennej barwie emisji i sposób wytwarzania takiej diody
ZESPÓŁ AUTORSKI
Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
- Mikołaj Żak - kierownik prac nad diodami WT LED
- Mikołaj Chlipała
- Henryk Turski
- Krzesimir Nowakowski-Szkudlarek
- Grzegorz Muzioł
- Mateusz Hajdel
- Paweł Wolny
- Czesław Skierbiszewski - kierownik laboratorium epitaksji z wiązek molekularnych IWC PAN
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Diody elektroluminescencyjne o zmiennej barwie emisji (ang. Wavelength tunable light-emitting diode, WT LED) to urządzenia optoelektroniczne, w których długość fali emitowanego światła można zmieniać w całym zakresie widzialnym poprzez zmianę prądu lub napięcia zasilającego diodę. Z jednej diody WT LED można uzyskać widmo z pojedynczym maksimum zaczynając od koloru czerwonego poprzez pomarańczowy, żółty, zielony, cyjan aż do niebieskiego.
Takie diody mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie ważne są źródła światła emitujące w wielu długościach fal, np. jako oświetlacze w mikroskopii fluorescencyjnej, w fotokatalizie lub do wielokolorowych matryc mikroLED. Kilka różnokolorowych źródeł światła można zastąpić pojedynczą diodą WT LED, a ponadto widmo można dostroić do żądanej długości fali.
ISTOTA WYNALAZKU
Standardowe diody elektroluminescencyjne (LED) są skonstruowane w taki sposób, że niedomieszkowany obszar aktywny diody, zawierający jedną lub więcej studni kwantowych, w których elektrony i dziury rekombinują promieniście, znajduje się pomiędzy warstwami domieszkowanymi typu p i typu n. Obecnie dostępne na rynku diody elektroluminescencyjne oparte o azotek galu (GaN) emitują światło w zakresie widzialnym, a długość fali emisji jest definiowana głównie przez zawartość indu w studniach kwantowych z azotku indowo-galowego (InGaN). Dlatego do tej pory wszystkie prace nad próbami stworzenia pojedynczej diody o zmiennym kolorze emisji opierały się na wykorzystaniu kilku obszarów aktywnych opartych na studniach InGaN o różnej zawartości indu (jak np. w AIP Advances 6, 075316, 2016). Przez to nie można uzyskać czystego widma dla wszystkich prostych kolorów (np. żółty składa się z dwóch pików w widmie: czerwonego i zielonego). Chociaż w przypadku zastosowań związanych z wyświetlaczami jest to całkowicie wystarczające, to jednak w wielu innych zastosowaniach biologicznych i chemicznych czystość widmowa piku ma duże znaczenie. Ponadto, czerwona luminescencja na skutek zwiększonej rekombinacji niepromienistej jest również słabsza niż niebieska.
W naszym urządzeniu, czyli diodzie elektroluminescencyjnej o zmiennej barwie emisji (WT LED), długość fali światła emitowanego z diody zmienia się w sposób ciągły wraz ze zmianą gęstości prądu zasilającego. Co więcej, jest to pojedynczy pik w widmie o szerokości połówkowej od kilkudziesięciu do kilkanastu nanometrów. Dioda zaczyna świecić na czerwono (ok. 630 nm) przy niskiej gęstości prądu 0,5 A/cm2 (1,97 V), a pik widma przesuwa się w kierunku krótszych długości fal, aż do niebieskiego (ok. 470 nm) przy zasilaniu 200 A/cm2 (3,52 V). Znormalizowane widma i rzeczywiste zdjęcia wybranej i tej samej diody WT LED w trakcie pracy przedstawiono w załączniku Z3. Osiągnęliśmy ten efekt poprzez silne domieszkowanie pojedynczej studni kwantowej InGaN, o szerokości 15.6 nm i zawartości 17% Indu, pół na pół germanem (na typ n) i magnezem (na typ p), gdzie studnia niedomieszkowana świeciłaby tylko na niebiesko.
Niestety moc optyczna uzyskiwana z diody WT LED nie jest jednakowa dla całego zakresu widzialnego. Dioda świeci najsłabiej dla koloru czerwonego, natomiast ponad 1000 razy mocniej dla niebieskiego. W planowanych badaniach chcemy zminimalizować tę różnicę i zwiększyć moc emitowaną dla koloru czerwonego. Z drugiej strony, ze względu na fizyczny mechanizm stojący za emisją kolorów z diod WT LED, nie jest możliwe ich całkowite wyrównanie. Mimo to uważamy, że istnieją konkretne zastosowania dla diod WT LED, w których moc elektroluminescencji koloru czerwonego nie jest aż tak ważna, jak możliwość uzyskania pojedynczego piku w widmie w szerokim zakresie widzialnym z tego samego urządzenia. Są to mikroskopia fluorescencyjna, fotokataliza i metody szybkiej diagnostyki medycznej „Lab on Chip” omówione poniżej. Również w przypadku zastosowań matryc mikroLED można myśleć o nowej generacji matryc, w których każdy kolor będzie uzyskiwany z pojedynczego piksela poprzez mieszanie kolorów w dziedzinie czasu, a nie przestrzennie z trzech oddzielnych subpikseli RGB jak dotychczas.
Na diodę WT LED oraz metodę ich wytwarzania 25. września 2025 uzyskaliśmy Patent Europejski nr EP4228012 (tożsamy z polskim zgłoszeniem patentowym nr P.440375), który następnie został walidowany w krajach zrzeszonych w ramach jednolitego europejskiego systemu patentowego (UPC), Polsce i Wielkiej Brytanii.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Pierwszym miejscem, w którym widzimy możliwość zastosowania naszych przestrajalnych diod LED, są chemiczne i medyczne techniki analityczne. Możliwość ciągłej regulacji długości fali oświetlenia jest ważna w mikroskopii fluorescencyjnej do selektywnego wzbudzania fluorescencji z materii organicznej. W ten sposób można obrazować komórki biologiczne lub identyfikować wirusy. Zastosowanie diod WT LED może prowadzić do miniaturyzacji obecnych mikroskopów, a także wpisuje się w ideę szybkiej i precyzyjnej diagnostyki medycznej "Lab on Chip". Ponadto, w fotokatalizie poprzez dowolne dostrojenie długości fali światła, możliwe będzie uzyskanie większej kontroli nad aktywacją fotokatalizatora i przebiegiem reakcji.
Z drugiej strony, możliwe jest wykorzystanie diod WT LED w optoelektronice do produkcji wielokolorowych matryc mikroLED. Właściwości diod WT LED umożliwiają mieszanie kolorów w dziedzinie czasu, tj. emitowanie dowolnego koloru przy użyciu dokładnie jednej diody zamiast trzech RGB.