Advanced

Improving green LEDs: A meta study into the causes and remedies of the green gap

Malmgren, Andreas LU (2015) FYSK01 20151
Department of Physics
Solid State Physics
Abstract
This literature review investigates and evaluates different strategies to improve InGaN-based light emitting diodes (LED) by analyzing published theoretical and experimental studies. The issues of non-uniform carrier distribution, piezoelectric polarization fields and poor wave function overlap can be mitigated by the use of InGaN barriers and substrates as well as staircase designs for quantum wells (QW). It is found that QWs made for long emission wavelengths suffer from Auger recombination due to high carrier concentrations in the QWs. Lower barriers will enhance the injection of holes and thus increase the radiative recombination rate in all QWs. Piezoelectric polarization fields due to lattice mismatch can be suppressed by using InGaN... (More)
This literature review investigates and evaluates different strategies to improve InGaN-based light emitting diodes (LED) by analyzing published theoretical and experimental studies. The issues of non-uniform carrier distribution, piezoelectric polarization fields and poor wave function overlap can be mitigated by the use of InGaN barriers and substrates as well as staircase designs for quantum wells (QW). It is found that QWs made for long emission wavelengths suffer from Auger recombination due to high carrier concentrations in the QWs. Lower barriers will enhance the injection of holes and thus increase the radiative recombination rate in all QWs. Piezoelectric polarization fields due to lattice mismatch can be suppressed by using InGaN barriers and substrates with decreased lattice mismatch. The radiative recombination rate is found to increase as the barriers and substrates contain higher Indium content. A large overlap design called “staggered QW” is evaluated and shown to increase wave function overlap and thus the recombination rate for InGaN LEDs. The concept of nanowire LEDs is presented as a possible solution to grow QWs with reduced quantum confined stark effect (QCSE). (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Dagens belysning i många hem världen runt består till stor del av vanliga glödlampor. I många svenska och västerländska hem är det även vanligt med låg-energilampor och fosfor-LEDs. Fosfor är ett grundämne som tillsammans med blåa LEDs möjliggör skapandet av vitt ljus. Principen bygger på att blått LED-ljus passerar ett fosforlager där en del av det blåa ljuset omvandlas till gult ljus. Kombinationen av blått LED-ljus och gult fosforljus leder till vitt ljus. Nackdelen med denna princip gentemot andra vita LED principer är låg effektivitet samt svårkontrollerad ljuskvalitet. Ljusomvandlingen i fosforlagret leder till energiförluster samt att ljuset ofta är en aning kallvitt vilket anses onaturligt för inomhusbelysning. Trots dessa... (More)
Dagens belysning i många hem världen runt består till stor del av vanliga glödlampor. I många svenska och västerländska hem är det även vanligt med låg-energilampor och fosfor-LEDs. Fosfor är ett grundämne som tillsammans med blåa LEDs möjliggör skapandet av vitt ljus. Principen bygger på att blått LED-ljus passerar ett fosforlager där en del av det blåa ljuset omvandlas till gult ljus. Kombinationen av blått LED-ljus och gult fosforljus leder till vitt ljus. Nackdelen med denna princip gentemot andra vita LED principer är låg effektivitet samt svårkontrollerad ljuskvalitet. Ljusomvandlingen i fosforlagret leder till energiförluster samt att ljuset ofta är en aning kallvitt vilket anses onaturligt för inomhusbelysning. Trots dessa nackdelar är fosfor-LEDs fortfarande en bra lösning jämfört med glödlampor och annan låg-energibelysning ur ekonomi och miljösynpunkt. En möjlig ersättare till fosfor-LEDs skulle kunna vara RGB-LEDs som just nu är under utveckling. Denna princip bygger på att tre LEDs i färgerna rött, grönt och blått kombineras på ett och samma chip. Fördelen med RGB-LEDs är avsaknaden av fosfor-lager samt förbättrad ljuskvalitet. De tre färgerna kan kombineras på olika sätt för att ge vitt ljus med önskad ljustemperatur såsom varmvitt eller kallvitt. Att slippa fosfor i nya RGB-LEDs skulle innebära att effektiviteten av själva lampan enbart avgörs av de enstaka blåa, gröna och röda lysdioderna. Inga energiförluster vid ljusomvandling skulle behöva ske.

Nyckeln till RGB-LEDs är att tillverka effektiva och högpresterande LEDs i alla tre färgerna. Gröna LEDs är utav speciellt intresse eftersom dessa ännu inte presterar likvärdigt som blåa och röda LEDs. Att något så simpelt som färgen kan vara av betydelse för prestandan kan vara svårt att förstå. Hur kan man tillverka effektiva blåa LEDs men inte gröna? Svaret till den frågan har att göra med kompatibiliteten mellan de olika material som används vid tillverkningen. Materialen i gröna LEDs har sämre passform med varandra vilket leder till oönskade effekter och slutligen minskad effektivitet. Syftet med denna litteraturstudie är att undersöka och jämföra olika strategier som kan leda till ökad effektivitet för gröna LEDs.

Effekten av nya högpresterande RGB-LEDs kan bli storskalig världen runt. Den långa livslängden, höga effektiviteten samt den lilla miljöpåverkan är några av fördelarna med nya LEDs. LED-lampor kan ha livstider på upp emot 50,000 ljustimmar jämfört med maximalt 15000 ljustimmar för låg-energilampor och endast 1000 ljustimmar för vanliga glödlampor. Detta minskar kraftigt kostnaden för konsumenten som inte behöver byta ut sina lampor lika ofta. Det är även en fördel vad gäller miljöpåverkan då färre lampor behövs tillverkas vilket sparar på jordens resurser. En annan miljöfördel är att LED-lampor kräver mindre energi i form av elektricitet vilket delvis minskar utsläppen vid elproduktion samt minskar elräkningen för konsumenten. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Malmgren, Andreas LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20151
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Light emitting diodes, quantum wells, recombination rate
language
English
id
7363485
date added to LUP
2015-06-26 01:58:23
date last changed
2015-06-26 01:58:23
@misc{7363485,
  abstract     = {This literature review investigates and evaluates different strategies to improve InGaN-based light emitting diodes (LED) by analyzing published theoretical and experimental studies. The issues of non-uniform carrier distribution, piezoelectric polarization fields and poor wave function overlap can be mitigated by the use of InGaN barriers and substrates as well as staircase designs for quantum wells (QW). It is found that QWs made for long emission wavelengths suffer from Auger recombination due to high carrier concentrations in the QWs. Lower barriers will enhance the injection of holes and thus increase the radiative recombination rate in all QWs. Piezoelectric polarization fields due to lattice mismatch can be suppressed by using InGaN barriers and substrates with decreased lattice mismatch. The radiative recombination rate is found to increase as the barriers and substrates contain higher Indium content. A large overlap design called “staggered QW” is evaluated and shown to increase wave function overlap and thus the recombination rate for InGaN LEDs. The concept of nanowire LEDs is presented as a possible solution to grow QWs with reduced quantum confined stark effect (QCSE).},
  author       = {Malmgren, Andreas},
  keyword      = {Light emitting diodes,quantum wells,recombination rate},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Improving green LEDs: A meta study into the causes and remedies of the green gap},
  year         = {2015},
}