Lysdioder av kiselkarbid i svensk-japanskt samarbete

Lysdioder baserade på energieffektiv kiselkarbid kan bli ett konkurrenskraftigt alternativ till dagens lågenergilampor. Metoden för det ljusbildande materialet har utvecklats av forskare vid Linköpings universitet. Forskningen tar nu ett kliv framåt med ett samarbetsavtal med forskare i Japan.

Dopad kiselkarbid, framställd i en speciell – och patenterad – teknik, kan ge rent vitt ljus till lägre energikostnad och med en högre verkningsgrad än dagens lågenergilampor. I samarbete med en forskargrupp i Meijouniversitetet, Nagoya, Japan, utvecklar kiselkarbidforskarna i Linköping en lysdiod som kan bli ett bättre alternativ till glödlampan.

- Forskarna i Japan kom på att man kan tillföra ämnen, eller dopa, kiselkarbiden och få ut ljus, berättar Mikael Syväjärvi, (bilden till höger), materialforskare. Tidigare var det ingen som trodde att kiselkarbid direkt kunde fungera för lysdioder.

Det var professor Satoshi Kamiyama vid Meijouniversitetet, och adjungerad professor i Linköping, som först visade att dopad kiselkarbid kan bilda ett fluorescerande material och avge ljus med hög effektivitet. Han har bildat ett företag, El Seed Corporation, för att kunna kommersialisera sin uppfinning av lysdioden. Företaget har också köpt de kommersiella rättigheterna till hela processen, inklusive den metod som utvecklats av Linköpingsforskarna. Ikea är också intresserade av det utvecklingsarbete som återstår.

Den vita lysdioden består av ett nitridlager som exciterar det vita ljuset i fluorescerande kiselkarbid, och en mönstrad yta som tar ut mer ljus från materialet. De japanska forskarna använder nu den metod som utvecklats i Linköping av Mikael Syväjärvi och Rositza Yakimova. Ljuset får en hög kvalitet, det blir vitt och rent, till skillnad från det blåaktiga ljus som dagens lysdioder, byggda på fosfor, ger.

Metoden heter Fast Sublimation Growth Process, FSGP, och går ut på att kiselkarbiden genom upphettning omvandlas direkt till gasform, inte via vätskefas. Kisel och kol i gasform transporteras till en skiva av kiselkarbid med ordnad kristallstruktur där atomerna fastnar och ett lager av ljusbildande kiselkarbid växer fram. Ljuset kommer från två lager av kiselkarbidfilmer, uppbyggde med olika tillförda ämnen. Metoden använder lägre temperatur än andra liknande metoder. Den finns beskriven i ett uppslagsverk för halvledarteknik som nyligen kommit ut.

De nya vita lysdioderna ger inte bara ett bättre ljus, de kan också behålla en hög effektivitet vid större strömstyrka. Ett problem med dagens blå lysdioder är att de tappar effektivitet, s.k. droop, när strömstyrkan höjs. De fungerar därmed dåligt för allmänbelysning.

Ämnet kiselkarbid, en förening av kol och kisel, upptäcktes 1824 av Jacob Berzelius, Sveriges store kemist med rötter i Östergötland och Linköping. Det vanligaste användningsområdet för kiselkarbid är tillverkning av transistorer. Kiselkarbid är också utgångsmaterialet för att tillverka grafen. Energieffektiva material för lysdioder är ett nytt forskningsområde.

Materialforskarna vid Linköpings universitet har intresserat sig för kiselkarbid sedan början av 1990-talet då professor Erik Janzén etablerade forskningsområdet. Mikael Syväjärvi tillhör också den forskningsgrupp som under professor Rositza Yakimovas ledning har blivit världsledande inom grafenforskningen.

Och, precis som med grafenforskningen, så är det den höga kvaliteten på materialet genom nya framställningsmetoder som är Linköpingsforskarnas unika bidrag. Men ännu återstår en hel del forskning innan lysdioderna kan börja tillverkas kommersiellt. Det gäller att förfina metoden, att hitta de rätta koncentrationerna av dopämnen för att få ut maximalt med ljus. Linköpingsforskarna stöddes först 2009 av Ångpanneföreningens forskningsstiftelse. Men nästa år tar finansieringen slut.

- Det är mycket fysik kvar att reda ut, säger Mikael Syväjärvi, innan vi har en fungerande prototyp att visa upp. Nu vill institutionen vid Meijo och IFM stärka samarbetet genom ett forskningsavtal. Den första gemensamma doktoranden börjar nu i april,

Om det går vägen kan den vita lysdioden finnas på marknaden efter ett par år, tror han.

- Annars kommer det att ta längre tid, och andra forskare kommer att bli mer intresserade. Men vi har fortfarande ett rejält försprång framför andra forskargrupper i världen. Femton års erfarenhet tar man inte igen hur snabbt som helst.

Fotnot: En vanlig glödlampa använder fem procent av den tillförda elektriska energin för att bilda ljus. Resten blir värmeenergi. I en lågenergilampa har verkningsgraden ökat till drygt 15 procent, men här finns ett annat problem; lampan innehåller kvicksilver. Med vita kiselkarbidbaserade lysdioder kan verkningsgraden öka ytterligare, upp till 30-50 procent. Den vita lysdioden har dessutom en betydligt längre livstid, ca 300 000 timmar, jämfört med 20 000 – 50 000 timmar för den blåa fosforbaserade lysdioden och 10 000 timmar för lågenergilampan.

Anika Agebjörn 2011-04-07