GALLIUM-LED – VOM ELEMENT ZUM DEVICE

Martin Völkel, Chemie B.Sc. 5.SemesterAC V Hauptseminar

2

ÜBERSICHT

Eigenschaften, Vorkommen

Gewinnung, Aufarbeitung

Grundlagen der Halbleiter:

Halbleiter, Dioden, Bandlücken

Farbigkeit & weißes Licht

Herstellung von GaN/ Probleme

Vor-/Nachteile, Recyling von Ga

3

EIGENSCHAFTEN

silberweißes,

glänzendes Metall

Smp 29,78 °C,

Sdp. 2403 °C

elektrische Leitfähigkeit:

(achsenabhängig)

relative Volumenänderung beim Schmelzen −3 %

Dichteanomalie

Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gallium_crystals.jpg

4

VORKOMMEN

Massenanteil in der Erdkruste

nicht gediegen, vergesellschaftet mit chemisch

verwandten Elementen (ähnliche Ionenradien):

Ge (Germanit ; 0,1-1,0 %, jedoch selten)

Zn (Sphalerit -; ≤0,02%)

Al (Bauxit, Tonerde ; 0,o03-0,o1 %)

Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999

5

GEWINNUNG

Nebenprodukt bei Zn-Gewinnung

Anreicherung in der Lauge

d. Bayer-Verfahrens:

Extraktion aus Lauge durch:

Alusuisse-Prozess (elektrolytisch

bei 40- 60°C; Kathode: Hg, Anode: Ni):

Trueb, Lucier F.: Die chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1996http://www.norandaaluminum.com/images/the-bayer-process-wheel-Final.png

6

GEWINNUNG

Solventextraktion: Komplexierung des und Anreicherung in

organischer Phase (Kerosin)

: alkylierte 8-Hydroxyquinoline

teilweise Mitextraktion von

Mihaylov, I.; Distin, P. A: Gallium solvent extraction in hydrometallurgy: An overview, Hydrometallurgy (1992), 28(1), 13-27Trueb, Lucier F. Die chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1996

7

AUFARBEITUNG

Entfernung von Fremdmetallen (Al, Zn) mit verd. Säuren (

erneute Lösung des in NaOH als

(Alusuisse & Solventextraktion)

Elektrolyse an Fe-Kathode bei 40-60°C Abscheidung (99.9%)

weitere Aufreinigung durch Vakuumdestillation

Elektrolyse

Aufschmelzen und Einkristallziehen

A.F. Hollemann, E. & N. Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 2007

Mihaylov, I.; Distin, P. A: Gallium solvent extraction in hydrometallurgy: An overview, Hydrometallurgy (1992), 28(1), 13-27

D. Wittmer, M. Erren et al.: Umweltrelevante metallische Rohstoffe. Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Wuppertal 2011

8

HALBLEITER

Halbleiter: zwischen Leiter und Isolator; Def. nach Größe der Bandlücke (0,1- 4 eV) verschiedene Halbleiter:

IV(Si, Ge) II-IV (ZnSe) III-V (GaAs, GaN)

mit Fremdatomen (Wertigkeit) Dotierung

Riedel, E. : Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004G. Held: Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, London 2009

9

FUNKTION EINER DIODE

Diode: p- & n-dotierte Schichten Durchlass- und Sperrrichtung Rekombination Defektelektronen & n-Pol, Leitungsb. p-Pol, Valenzb. direkter oder indirekter Übergang (materialspezifisch)

direkt: ∆E nur über , kein ∆keffiziente Energieumwandlung, Übergang wahrscheinlich

indirekt: ∆E über +∆k Übergang unwahrscheinlicher, geringe Effizienz

http://semiconductores-posgrado.mx/f_flores/fis_scs/animation_diode_junction_fast.gifhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur_-_indirekter_Band

%C3%BCbergang.svghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur

http://www.hs-lighting.com/FAQ/7.html

10

BANDLÜCKEN & BAND GAP TUNING

Bandlücke lässt sich beeinflussen Al-Ga-In: höhere Hauptquanten- zahl n, kleinere EN

kleinere Bandlücke N-P-As: analog geringe ΔEN eher metallisch hohe ΔEN eher nichtmetallisch

ruby.uni-freiburg.de

11

FARBIGKEIT & WEIẞES LICHT

weißes Licht: Farbort in der Mitte

der CIE-Farbnormtafel

Suche nach blauer LED

Farbkombination (min. 2 komple-

mentäre ) führt zu weißem Licht

F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), 351-359, 1997

Theoretical studies on band structure and optical properties of 3C–SiC by FPLAPW Pengshou Xu

12

ERZEUGUNG WEIẞEN LICHTES

Methode 1: rote + blaue + grüne LED

Methode 2: blaue LED + gelb luminis-

zierender Phosphor

YAG Phosphor:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_weiss_P_blau.svg, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_weiss_P_UV.svg, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:RGB-SMD-LED.jpg

13

DARSTELLUNG VON INGAN

GaN: Verbindungshalbleiter, Wurtzit-Struktur

über MOVPE (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy)

T=1000 °C

Substrat: Saphir

n-Dotierung durch Si

p-Dotierung durch Mg ,

S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wurtzite_polyhedra.png

14

PROBLEME DER HERSTELLUNG

2D-Wachstum dünner Schichten schwierig Substrate: schlechte Gitterübereinstimmung Inselwachstum Lösung: amorphe GaN-Buffer-Layer

Probleme Herstellung einer p-Schicht Passivierung durch H wenig Defektlöcher hoher Widerstand Lösung: LEEBI (Low Energy Electron Beam Irradiation)

lange Zeit Konzentration auf ZnSe Vernachlässigen von GaN

F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), 351-359, 1997S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000

15

, RECYCLING GA

Kapazität (effektivere Produktion) ca. 184 t/a,

genutzt: 95 t/a (2009)

Recycling nur bei Produktionsabfällen von Großanlagen

geschätztes Potential: ca 84 t/a, genutztes Potential: 40 t/a

Halbleiterbauteile enthalten sehr geringe Mengen Ga

noch nicht wirtschaftlich, Recycling untergeordnet

D. Wittmer, M. Erren et al.: Umweltrelevante metallische Rohstoffe. Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Wuppertal 2011

16

VOR/NACHTEILE GAN-LED

Vorteile: hohe Lichtausbeute geringer Stromverbrauch hohe Lebensdauer mech. Unempfindlichkeit

Nachteil: benötigte Seltenerden (Ga, In, La, Y, Gd,

Ce)

17

ZUSAMMENFASSUNG

Ga weit verstreut Nebenprodukt der Al-Aufarbeitung Aufreinigung durch Elektrolyse, Aufschmelzen,

Vakuumdestillation direkte Bandlücke GaN Lichtemission Bandgap Tuning mit Al, In weiße LED durch Phosphore Herstellung über MOVPE Kapazitäten an Ga noch nicht ausgeschöpft, Bedarf

steigt