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Gallium-LED – Vom Element zum Device

Martin Völkel, Chemie B.Sc . 5.Semester AC V Hauptseminar. Gallium-LED – Vom Element zum Device. Eigenschaften, Vorkommen Gewinnung, Aufarbeitung Grundlagen der Halbleiter: Halbleiter, Dioden, Bandlücken Farbigkeit & weißes Licht Herstellung von GaN / Probleme

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Gallium-LED – Vom Element zum Device

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Presentation Transcript

  1. Martin Völkel, Chemie B.Sc. 5.Semester AC V Hauptseminar Gallium-LED – Vom Element zum Device

  2. Eigenschaften, Vorkommen Gewinnung, Aufarbeitung Grundlagen der Halbleiter: Halbleiter, Dioden, Bandlücken Farbigkeit & weißes Licht Herstellung von GaN/ Probleme Vor-/Nachteile, Recyling von Ga Übersicht

  3. silberweißes, glänzendes Metall Smp29,78 °C, Sdp. 2403 °C elektrische Leitfähigkeit: (achsenabhängig) relative Volumenänderung beim Schmelzen −3 %  Dichteanomalie Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gallium_crystals.jpg Eigenschaften

  4. 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 Vorkommen

  5. 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 1996 http://www.norandaaluminum.com/images/the-bayer-process-wheel-Final.png Gewinnung

  6. 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), 13-27 Trueb, LucierF. Die chemischenElemente, S. HirzelVerlag, Stuttgart 1996 Gewinnung

  7. 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 Aufarbeitung

  8. 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 2004 G. Held: Introductionto Light Emitting Diode Technology andApplications, CRC Press, London 2009 Halbleiter

  9. 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 ∆k effiziente Energieumwandlung, Übergang wahrscheinlich • indirekt: ∆E über +∆k Übergang unwahrscheinlicher, geringe Effizienz http://semiconductores-posgrado.mx/f_flores/fis_scs/animation_diode_junction_fast.gif http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur_-_indirekter_Band%C3%BCbergang.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur http://www.hs-lighting.com/FAQ/7.html Funktion einer Diode

  10. 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 Bandlücken & Band Gap Tuning

  11. 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-basedsemiconductorsforblueandgreen light-emittingdevices, Nature (386), 351-359, 1997 Theoretical studies on band structure and optical properties of 3C–SiC by FPLAPW PengshouXu Farbigkeit & weißes Licht

  12. 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 Erzeugung Weißen Lichtes

  13. GaN: Verbindungshalbleiter, Wurtzit-Struktur • über MOVPE (MetalOrganicVapour 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 2000 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wurtzite_polyhedra.png Darstellung von inGaN

  14. 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 EnergyElectron Beam Irradiation) • lange Zeit Konzentration auf ZnSe • Vernachlässigen von GaN F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-basedsemiconductorsforblueandgreen light-emittingdevices, Nature (386), 351-359, 1997 S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000 Probleme der Herstellung

  15. 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 , Recycling GA

  16. Vorteile: • hohe Lichtausbeute • geringer Stromverbrauch • hohe Lebensdauer • mech. Unempfindlichkeit • Nachteil: • benötigte Seltenerden (Ga, In, La, Y, Gd, Ce) Vor/Nachteile Gan-LED

  17. 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 Zusammenfassung

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