Investeren in Nobelprijsprestaties – Blauwe Licht-LED-diodes Verlichten de Toekomst

Een alledaagse revolutie

Sommige Nobelprijzen voor Natuurkunde worden toegekend aan een revolutie in de fundamentele manier waarop we het universum begrijpen, van zwarte gaten (2020) tot subatomaire deeltjes (2013) of de expansie van het universum (2011). Andere belonen ogenschijnlijk meer “alledaagse” ontdekkingen die desalniettemin volledig de prijs waard zijn vanwege de duurzame en radicale impact die ze op de menselijke beschaving zullen hebben.

De Nobelprijs 2014, toegekend aan Isamu Akasaki, Hiroshi Amano en Shuji Nakamura voor de ontdekking van blauw lichtgevende diodes, is er een.

LED-diodes die rood, geel en groen licht kunnen uitstralen, zijn bekend sinds de uitvinding van LED-technologie. Om echter wit licht te produceren, moeten LED-diodes blauw licht uitstralen waar nodig, en dit bleek moeilijk te realiseren.

Het juiste type licht

Quantumenergie

Wat het produceren van blauw licht met LED zo moeilijk maakt, komt voort uit de fundamentele fysica van LED-diodes.

LED’s produceren licht dankzij de principes van de quantumfysica. In een vereenvoudigde versie van de quantumfysica bestaan atomen uit een kern, waar één of meerdere elektronen omheen draaien, vergelijkbaar met de aarde rond de zon.

Door de regels van de quantummechanica kunnen deze elektronen alleen “cirkelen” rond de kern van het atoom op vooraf bepaalde niveaus, elk bepaald door een bepaalde energieniveau. Wanneer een elektron van een hoog naar een laag energieniveau beweegt, wordt het overschot uitgezonden in de vorm van licht.

Licht met lage energie bevindt zich meestal aan de “rode kant” van het lichtspectrum, terwijl licht met hogere energie zich aan de blauwe kant van het spectrum bevindt.

Bron: Online Learning College

LED-basisprincipes

Dit vermogen van atomen om licht uit te stralen, voortkomend uit fundamentele fysica, is het basisprincipe achter LED-diodes. In de praktijk zijn nog een paar meer specifieke kenmerken nodig.

Om een LED-diode te maken, heb je eerst materialen nodig die halfgeleiders zijn, en dus de mogelijkheid hebben om een elektrische stroom door te laten of te blokkeren (vandaar de “semi”-kwalificatie).

• Een die elektronen kan afstaan wordt ook het “n-type” genoemd.
• Een die extra ruimte heeft om die elektronen op te nemen, wordt ook het “p-type” genoemd.

Halfgeleidercombinaties die in LED’s worden gebruikt hebben een “bandgap”, met een aanzienlijk verschil in energiepotentiaal tussen de twee materialen.

Wanneer elektronen van het ene halfgeleidermateriaal naar het andere bewegen, wordt de vrijgekomen energie het licht dat we van de diode willen.

Bron: BYJUS

Vroege LED-systemen hadden zeer kleine energiedifferenties tussen de twee soorten halfgeleiders, wat leidde tot de emissie van laag-energetisch infrarood licht. Al snel ontdekten wetenschappers en elektronicabedrijven hoe ze deze energiekloof konden vergroten, wat resulteerde in zichtbare LED’s in rood, geel en groen.

Een belangrijk onderdeel van deze verbeteringen was het “spiken” van de voorheen zuivere halfgeleidermaterialen met andere elementen, waardoor hun prestaties werden verhoogd.

Bron: Wikipedia by VectorVoyager 

Deze methode was gedurende meerdere decennia onvoldoende om de hoog-energetische bandgap te creëren die nodig is voor LED’s om blauw licht uit te stralen.

Het lastige pad naar blauwe LED-diodes

Gallium-nitride – Een lastig wondermateriaal

De bandgap van de materialen die worden gebruikt voor LED-lichten met lagere energie, zoals galliumarsenide (1,42 eV) en galliumfosfide (2,26 eV), die voor rode en groene LED’s worden gebruikt, lag onder de 2,6 tot 3,4 eV die nodig is voor blauw licht.

Een alternatief werd gevonden met gallium-nitride (3,37 eV). Het gebruik van gallium-nitride om blauw LED-licht te creëren leek een goed idee, maar in de praktijk bleek het onpraktisch.

Bron: Britannica

De eerste hindernis was dat er geen methode bestond om een oppervlak voor te bereiden waarop gallium-nitride kristallen konden groeien. Bovendien wist niemand hoe een p-type laag van gallium-nitride te maken. Velen hadden geprobeerd en gefaald om gallium-nitride om te vormen tot een functioneel LED-systeem voor blauw licht. Hier kwamen de drie winnaars van de Nobelprijs 2014 in beeld.

Blauw LED oplossen vanuit meerdere hoeken

In 1986 waren Isamu Asaki en Hiroshi Amano de eersten die ontdekten hoe gallium-nitride kristallen te laten groeien op een laag aluminium-nitride op een saffier-substraat.

Enkele jaren later zouden ze een p-laag creëren en uiteindelijk in 1992 het eerste prototype van een felblauwe LED maken.

Parallel daaraan begon Shuji Nakamura in 1988 met de ontwikkeling van zijn blauwe LED. Hij vond zijn eigen manier om het gallium-nitride kristal te laten groeien, eerst een dunne laag gallium-nitride bij een lage temperatuur en vervolgens de volgende lagen bij een hogere temperatuur.

Echt begrip van gallium-nitride

De p-laag van Asaki en Amano werd geoptimaliseerd door het gallium-nitride bloot te stellen aan de elektronenbundel van een rasterelektronenmicroscoop.

Nakamura had het theoretische kader om uit te leggen hoe de elektronenmicroscoop werkte: het verwijderde waterstofatomen, waardoor de p-laag niet kon vormen. Vervolgens bedacht hij een eenvoudigere en goedkopere methode om hetzelfde resultaat te bereiken: gecontroleerde verhitting van het materiaal.

Beide parallelle onderzoeksgroepen gingen door met steeds geavanceerdere en complexere ontwerpen voor hun blauwe LED, waarbij verschillende legeringen van gallium-nitride met aluminium of indium werden gecreëerd, waardoor de halfgeleiders effectief werden gedopeerd om hun lichtopbrengst en efficiëntie te verhogen.

Bron: Nobel Prize

Ze hebben ook blauwe lasers uitgevonden met behulp van hun blauwe LED. Omdat de frequentie van blauw licht veel lager is dan die van andere kleuren, kan het vier keer meer informatie bevatten dan infrarood licht, waardoor Blu-ray schijven mogelijk werden.

Prestaties van blauwe LED-licht

Meer licht met minder elektriciteit

Blauwe LED’s maakten het mogelijk om wit licht te creëren, waardoor de meeste gloeilampen en fluorescentielampen konden worden vervangen door LED’s. Dit is bijzonder opvallend, aangezien LED’s 20 keer efficiënter zijn dan gloeilampen en 4 keer efficiënter dan gloeilampen.

Bron: Nobel Prize

Aangezien een kwart van het elektriciteitsverbruik wordt besteed aan het produceren van licht, betekent dit een radicale besparing op het wereldwijde energieverbruik.

Het maakt ook off-grid verlichtingssystemen veel haalbaarder, waarbij kleine zonnepanelen of andere alternatieve energiebronnen nu licht kunnen leveren in afgelegen of arme gebieden. Dit leidt op zijn beurt tot een hogere productiviteit en betere educatie.

Aangepaste kleuren

Naast witte LED’s maakt de combinatie van rode, groene en blauwe LED’s de creatie van alle mogelijke kleuren van het zichtbare spectrum mogelijk. Dit opent de weg naar allerlei gespecialiseerde LED’s voor niche-toepassingen.

Een belangrijke toepassing van blauwe LED’s en op aanvraag aangepaste kleuren is LED-schermen voor tv’s, computers en smartphones, aangezien fluctuaties in de rood/groen/blauw-verhouding verantwoordelijk zijn voor het weergeven van de juiste kleur pixel voor pixel.

Of, bijvoorbeeld, planten gebruiken groen licht niet voor fotosynthese. Daarom kunnen LED-lampen voor binnenkweek alleen rood en blauw licht gebruiken, waardoor het energieverbruik van kassen aanzienlijk wordt geoptimaliseerd en de revolutie in hydroponics en stedelijke landbouw mogelijk wordt. En misschien op een dag zelfs voedsel verbouwen in de ruimte of op Mars.

Bron: Agritecture

Ultraviolet LED’s

Na de eerste ontwikkeling van blauwe LED’s hebben verdere verbeteringen een nog krachtiger systeem mogelijk gemaakt dat ultraviolet licht uitstraalt.

Deze UV-C LED’s kunnen worden gebruikt om water op elke schaal te zuiveren, van kampeeruitrusting tot nutsbedrijven die tientallen miljoenen mensen in grote steden bedienen. Ze kunnen ook worden ingezet om luchtpathogenen te doden en oppervlakken te steriliseren, bijvoorbeeld in ziekenhuizen.

Blu-ray en blauwe lasers

Zoals eerder vermeld, zouden blu-ray en andere oplossingen voor opslag met hoge dichtheid die afhankelijk zijn van blauwe lasers niet mogelijk zijn geweest zonder blauwe LED’s. De hoge gegevensdichtheid is evenzeer nuttig voor optische communicatie, vooral wanneer een hoge bandbreedte vereist is.

Blauwe lasers zijn ook “de ideale lichtbron voor hoog-reflectieve metaalbewerking, die aanzienlijke voordelen biedt in verschillende industriële toepassingen zoals snijden en lassen”.

Blauwe lasers worden nu ook gebruikt voor chirurgie van het strottenhoofd, dankzij hun hoge-energie output en de absorptie van de 445nm golflengte door hemoglobine, waardoor een zeer nauwkeurig gerichte coagulatie van bloedvaten mogelijk is.

Gallium-nitride voorbij LED-lichten

Blauwe LED-lichten hebben een hele industrie gecreëerd die op schaal produceert en gallium-nitride kristallen bestudeert. Dit kan op zijn beurt een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van elektronica, met gallium-nitride wordt genoemd “de volgende grote trend in vermogenselektronica”.

Gallium-nitride kan werken bij veel hogere temperaturen en hogere spanningen dan siliciumgebaseerde veld-effecttransistoren (FET’s). Daarom kan gallium-nitride worden gebruikt voor 5G mobiele basisstations, transistoren, kleine elektronische apparaten en zelfs AI, aangezien rekenapplicaties steeds meer energie verbruiken.

Al deze toepassingen zouden niet mogelijk zijn zonder de schaalvoordelen in productie en de enorme kennis die door de blauwe LED-industrie in eerste instantie is gecreëerd.

Blauwe LED-bedrijven

Nakamura-gerelateerde bedrijven

Nakamura ontwikkelde zijn blauwe LED-licht terwijl hij bij Nichia Corporation werkte. Na een leiderschapsverandering in 1989 had het bedrijf Nakamura opgedragen om te stoppen met het project, wat hij gelukkig niet deed. Dit was ook goed nieuws voor het bedrijf, dat zijn omzet tussen 1993 en 2001 verviervoudigde, waarbij 60% van de totale omzet afkomstig was van blauwe LED-lichten.

Nakamura verliet Nichia in 1999, en raakte later verwikkeld in een complexe reeks rechtszaken over het eigendom van de technologie, waarbij Nakamura, Nichia en de Amerikaanse concurrent Cree betrokken waren. Uiteindelijk kwam Nakamura tot een schikking van ¥840 miljoen (≈US$8,1 miljoen) met Nichia.

Nakamura richtte in 2008 Soraa op, een privaat genoteerd bedrijf dat blauwe LED’s verkoopt, dat recentelijk in 2020 werd overgenomen door Ecosense.

In 2022 medeoprichtte Nakamura Blue Laser Fusion, een commercieel kernfusiebedrijf. Het wil mega-joule pulsenenergie-lasers met een hoge herhalingsfrequentie gebruiken om commerciële fusie te bereiken. Het bedrijf plant om in 2025 zijn eerste prototype te voltooien en in 2030 een commercieel gereed fusie‑reactor te demonstreren.

Blue Laser Fusion wordt gesteund door het Mirai Creation Fund, dat zelf wordt ondersteund door Toyota Motor (TM ) en andere investeerders.

Met Soraa/Ecosense en Nichia (niet te verwarren met Nichias – NICFF) als privaat genoteerde bedrijven, moeten investeerders kijken naar andere fabrikanten van blauwe LED-lichten om te investeren in die technologie die de basis werd van moderne innovatie in elektronica, telecommunicatie, geneeskunde, productie en zelfs landbouw.

1. SMART Global Holdings

Cree was een Amerikaans bedrijf dat een van de eerste was die blauwe LED-lichten op grote schaal commercialiseerde en een belangrijke concurrent van de Nakamura-gerelateerde Nichia. Het stond ook achter de eerste commerciële siliciumcarbide wafer.

Later werd het omgedoopt tot ‘Wolfspeed‘, en verkocht het LED-gedeelte aan SMART Global Holdings in 2021.

Bron: SGH

SGH beheerde vier verschillende merken:

• Cree LED
• Penguin Solutions , een AI-infrastructuuroplossing.
• Stratus, een ultra‑betrouwbaar computerplatform.
• SMART Modular Technologies, een leider in DRMA en solid-state gegevensopslagtechnologie.

Cree LED vertegenwoordigt ongeveer 1/5 van de totale omzet, en intelligente platformoplossingen vormen de helft van de totale omzet.

Dus, SGH is geen uitsluitend op LED’s gericht bedrijf. Echter, Cree LED is eigenaar van belangrijke intellectuele eigendommen (met name de XLamp-merk), met een reputatie voor technologische uitmuntendheid in het veld en een aanwezigheid in alle blauwe LED-gerelateerde markten.

2. Osram (OSAGF)

Osram is een wereldwijd bedrijf dat vooroploopt op het gebied van sensoren en innovatieve lichtoplossingen. De halfgeleidersegmenten, inclusief LED’s, lasers, geïntegreerde schakelingen en sensoren, vertegenwoordigen 2/3 van de omzet van het bedrijf.

Het staat met name op de eerste plaats in veel categorieën:

• Auto LED- en laserlichten.
• Traditionele autoverlichting.
• Horticulture LED.
• CT-medische beeldvorming.

Bron: OSRAM

In totaal is OSRAM #2 op de LED-markt met een marktaandeel van 13%, achter Nichia (15%), maar ver voor de rest van de concurrentie zoals #3 en #4 Seoul Semiconductors (7%) en Samsung LED (7%), en MLS (6%).

OSRAM is ook de leider in lichtsensoren, met 29,2% van de markt, net voor STMicroelectronics (28,5%).

Het grootste deel van de omzet van het bedrijf komt uit de Azië‑Pacific regio, met recente omzet die bijna gelijk verdeeld is tussen EMEA en de Amerika’s.

De LED-markt zal naar verwachting blijven groeien met een CAGR van 6,8% tot minstens 2028. Dit komt voornamelijk door de automotive- en algemene verlichtings-LED-markten.

Bron: OSRAM

Met de leidende positie van OSRAM in de automobielmarkt, zowel klassieke als LED-lampen, evenals horticulture, is het bedrijf vrijwel zeker dat zijn totale adresseerbare markt de komende jaren continu zal groeien.