LED’lerin Verimliliğini Artırmak İçin Bor Kullanıldı

Michigan Üniversitesi araştırmacıları, bor elementinin LED‘deki InGaN katmanına dahil edilmesiyle elektron çarpışmalarını azaltıp LED’lerin ışık verimliliğinin artırılabileceğini gösterdi. Dünya rezervlerinin yüzde 72‘si Türkiye’de bulunan bor madeni, LED teknolojisiyle ivmelenen aydınlatma sektörü için yeni bir umut olabilir mi?

Yüksek güçlü beyaz LED’ler maç gününde, bir futbol stadyumunun karşılaştığı sorunla karşı karşıyadır – çok küçük bir alanda çok fazla insan bulunur. Elbette bir LED’in içinde insan yok. Ancak, LED verimliliğini yüksek tutmak için birbirlerinden kaçınmaları ve çarpışmalarını en aza indirgemesi gereken birçok elektron var.

Michigan Üniversitesi‘ndeki araştırmacılar Logan Williams ve Emmanouil Kioupakis, Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezi (NERSC) tesisindeki tahmini atomistik hesaplamaları ve yüksek performanslı süper bilgisayarları kullanarak,  bor elementinin yaygın olarak kullanılan InGaN (indiyum-galyum nitrür) materyaline dahil edilmesinin, elektronların da oluşmasını önleyebildiğini buldu. Bu sayede ışık üretiminde LED’lerin daha verimli olmasını sağladı.

Modern LED’ler, farklı yarı iletken malzemelerden oluşan tabakalardan meydana gelir. En basit LED üç katmana sahiptir. Bir katman, materyalin içine ekstra elektronlarla yerleştirilir. Bir başka tabaka çok az elektron ile yapılır, elektronların boşlukları delik olarak adlandırılır. Ardından, LED tarafından hangi dalga boyu ışığının yaydığını belirleyen diğer ikisi arasında sandviç şeklinde yer alan ince bir orta tabaka bulunur.

Bir elektrik akımı uygulandığında, elektronlar ve delikler orta katmana yerleşirler ve burada ışığı üretmek için bir araya gelirler. Ancak LED’den gelen ışığın miktarını artırmak için orta tabakada çok fazla elektron sıkıştırırsak, elektronlar ışık üretmek için deliklerle birleşmek yerine birbirleriyle çarpışabilir. Bu çarpışmalar, Auger rekombinasyonu adı verilen bir süreçte elektron enerjisini ısıya dönüştürür ve LED verimliliğini düşürür.

Bu sorunun çözümü; orta katmanda elektronların (ve deliklerin) hareket etmesi için daha fazla yer açmaktır. Daha kalın bir tabaka, elektronları daha geniş bir alana yayarak birbirlerinden kaçmalarını ve çarpışmalarında kaybedilen enerjiyi azaltmalarını kolaylaştırır. Ancak bu orta LED tabakasını daha kalın hale getirmek, göründüğü kadar basit değildir.

LED yarı iletken malzemeler kristaller olduğundan, onları oluşturan atomlar birbirinden ayrı, belli aralıklarla yerleştirilmelidir. Kristallerdeki düzenli atom aralığına kafes parametresi denir.

Kristal halinde malzemeler katmanlar halinde birbirlerinin üzerine büyütüldüğünde, kafes parametreleri benzer olmalı, böylece atomların düzenlemeleri malzemelerin birleştirildiği yerde eşleşecektir. Aksi takdirde malzeme altındaki tabaka ile eşleşecek şekilde deforme olur. Küçük şekil bozuklukları bir problem değildir, ancak eğer üst malzeme çok kalınlaşırsa ve deformasyon çok güçlü hale gelirse, atomlar o kadar yanlış hizalanır ki, LED verimliliğini azaltırlar.

Günümüzde mavi ve beyaz LED’ler için en popüler malzeme GaN tabakaları ile çevrili InGaN’dır. Ne yazık ki, InGaN‘nin kafes parametresi GaN ile eşleşmiyor.

Williams ve Kioupakis, bor elementinin bu orta InGaN katmanına dahil edilmesiyle, kafes parametresi GaN’a çok daha benzer hale geldiğini ve hatta bazı bor konsantrasyonları için aynı hale geldiğini gördü. Buna ek olarak, malzemeye tamamen yeni bir element dahi olsa da, BInGaN malzemeden yayılan ışığın dalga boyu InGaN’ninkine çok yakın ve görünür spektrum boyunca farklı renklere ayarlanabilir oldu. Bu, BInGaN‘ı daha kalın tabakalarda yetiştirecek şekilde uygun hale getirilirse, elektron çarpışmalarını azaltıp ve görünür LED’lerin verimliliğini artırabilir.

Bu malzeme daha verimli LED üretmek için umut vericidir ancak bunun laboratuvarda gerçekleştirilebilmesi de çok önemlidir. Williams ve Kioupakis, InGaN için mevcut büyüme tekniklerini kullanarak GaN üzerinde BInGaN yetiştirilebileceğini ve LED’ler için bu materyalin hızlı test edilmesini ve kullanılmasını mümkün kıldığını gösterdi.

Yine de, bu çalışmayı uygulamaktaki birincil zorluk, bor elementinin yeterince yüksek miktarlarda InGaN‘a dahil edilmesinin nasıl en iyi şekilde ayarlanacağı olacaktır. Bu araştırma, deneysel araştırmacılar için aynı anda güçlü, verimli ve uygun fiyatlı yeni LED’ler keşfetmek için heyecan verici bir yol açıyor.