Investere i Nobelprisprestasjoner – Blålys LED-dioder lyser opp fremtiden

En hverdagsrevolusjon

Noen Nobelpriser i fysikk tilskrives en revolusjon i den grunnleggende måten vi forstår universet på, fra sorte hull (2020) til subatomære partikler (2013) eller universets ekspansjon (2011). Andre belønner tilsynelatende mer «hverdagslige» oppdagelser som likevel er fullt verdt å vinne for den varige og radikale påvirkningen de vil ha på menneskehetens sivilisasjon.

Nobelprisen 2014, tilskrevet Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura for oppdagelsen av blålys‑utslippende dioder, er en av dem.

LED‑dioder som kan avgi rødt, gult og grønt lys har vært kjent siden oppfinnelsen av LED‑teknologi. For å avgi hvitt lys må LED‑dioder imidlertid avgi blått lys der det er nødvendig, og dette viste seg vanskelig å oppnå.

Den rette typen lys

Kvantenergi

Det som gjør blått lys så vanskelig å produsere med LED, stammer fra den grunnleggende fysikken til LED‑dioder.

LED‑er produserer lys takket være prinsippene i kvantefysikk. I en forenklet versjon av kvantefysikk er atomer sammensatt av en kjerne, rundt hvilken en eller flere elektroner går i bane, omtrent som jorden rundt solen.

På grunn av reglene i kvantemekanikken kan disse elektronene kun «bane» rundt atomkjernen i forhåndsbestemte nivåer, hver bestemt av et bestemt energinivå. Når et elektron beveger seg fra et høyt til et lavt energinivå, blir overskuddet utsendt i form av lys.

Lys med lav energi har en tendens til å ligge på den «røde» siden av lysspekteret, mens lys med høyere energi ligger på den blå siden av spekteret.

Kilde: Online Learning College

LED‑grunnlag

Denne evnen til atomer til å avgi lys, som stammer fra grunnleggende fysikk, er det grunnleggende prinsippet bak LED‑dioder. I praksis kreves noen flere spesifikke egenskaper.

For å lage en LED‑diode trenger du først materialer som er halvledere, altså har evnen til enten å la en elektrisk strøm passere eller blokkere den (derav «semi»-betegnelsen).

Du må deretter kombinere to forskjellige typer halvledere:

• En som kan avgi elektroner kalles også «n‑type».
• En med ekstra plass til å motta nevnte elektroner, også kalt «p‑type».

Halvlederkombinasjoner som brukes i LED‑er har et «båndgap», med en betydelig forskjell i energipotensial mellom de to materialene.

Når elektroner beveger seg fra den ene halvlederen til den andre, blir den frigjorte energien til lyset vi ønsker fra dioden.

Kilde: BYJUS

Tidlige LED‑systemer hadde svært små energiforskjeller mellom de to typene halvledere, noe som førte til at lavenergi‑infrarødt lys ble utsendt. Raskt fant forskere og elektronikkbedrifter ut hvordan de kunne øke dette energigapet, noe som førte til synlige lys‑LED‑er i rødt, gult og grønt.

En viktig del av disse forbedringene var «spikingen» av de tidligere rene halvledermaterialene med andre elementer, noe som økte deres ytelse.

Kilde: Wikipedia by VectorVoyager 

Denne metoden var utilstrekkelig i flere tiår for å skape det høyenergi‑båndgapet som kreves for at LED‑er skal avgi blått lys.

Den vanskelige veien til blå LED‑dioder

Galliumnitrat – Et vanskelig mirakelmateriale

Båndgapet til materialene som brukes for lavenergi‑LED‑lys, som galliumarsein (1,42 eV) og galliumfosfid (2,26 eV), brukt for røde og grønne LED‑er, var lavere enn de 2,6 til 3,4 eV som kreves for blått lys.

Et alternativ ble funnet med galliumnitrid (3,37 eV). Å bruke galliumnitrid for å lage blå LED‑lys virket som en god idé, men i praksis var det tilsynelatende upraktisk.

Kilde: Britannica

Den første hindringen var at det ikke fantes noen metode for å forberede en overflate hvorpå man kunne dyrke galliumnitridkrystaller. I tillegg visste ingen hvordan man skulle lage et p‑type lag av galliumnitrid. Mange hadde prøvd og mislyktes med å gjøre galliumnitrid til et funksjonelt LED‑system for blått lys. Det var her de tre vinnerne av Nobelprisen 2014 kom inn i bildet.

Løse blå LED fra flere vinkler

I 1986 var Isamu Asaki og Hiroshi Amano de første som fant ut hvordan man kan dyrke galliumnitridkrystaller på et lag av aluminiumnitrid på et safir‑substrat.

De ville noen år senere lage et p‑lag, og til slutt skape den første prototypen av en kraftig blå LED i 1992.

Parallelt begynte Shuji Nakamura å utvikle sin blå LED i 1988. Han fant sin egen måte å dyrke galliumnitridkrystallen på, først ved å dyrke et tynt lag av galliumnitrid ved lav temperatur og deretter dyrke påfølgende lag ved høyere temperatur.

Ekte forståelse av galliumnitrid

Asakis og Amanos p‑lag ble optimalisert ved å eksponere galliumnitriden for elektronstrålen fra et skannende elektronmikroskop.

Nakamura hadde det teoretiske rammeverket for å forklare hvordan elektronmikroskopet fungerte: det fjernet hydrogenatomer, noe som hindret p‑laget i å dannes. Han kom deretter opp med en enklere og billigere metode for å oppnå samme resultat: kontrollert oppvarming av materialet.

Begge parallelle forskningsgruppene fortsatte med stadig mer avanserte og komplekse design for sin blå LED, og laget ulike legeringer av galliumnitrid med aluminium eller indium, effektivt doping av halvlederne for å øke lysutbyttet og effektiviteten.

Kilde: Nobel Prize

De oppfant også blå lasere ved å bruke sin blå LED. Fordi frekvensen til blått lys er mye lavere enn andre farger, kan den inneholde fire ganger mer informasjon enn infrarødt lys, og åpner veien for Blu‑ray‑plater.

Resultater med blå LED‑lys

Mer lys fra mindre strøm

Blå LED‑er gjorde det mulig å skape hvitt lys, og dermed erstatte de fleste lyspærer og fluorescerende lamper med LED‑er. Dette er spesielt bemerkelsesverdig, da LED‑er er 20 ganger mer effektive enn lyspærer og 4 ganger mer enn glødelamper.

Kilde: Nobel Prize

Siden en fjerdedel^del av strømforbruket går til å produsere lys, representerer dette en radikal besparelse i globalt energiforbruk.

Det gjør også belysningssystemer uten nettverk mye mer levedyktige, med små solcellepaneler eller andre alternative energikilder som nå kan drive lys i avsidesliggende eller fattige områder. Dette gjør det igjen mulig å øke produktiviteten og forbedre utdanningen.

Tilpassede farger

I tillegg til hvite LED‑er gjør kombinasjonen av røde, grønne og blå LED‑er det mulig å skape alle mulige farger i det synlige spekteret. Dette åpner veien for alle slags spesialiserte LED‑er for nisjeapplikasjoner.

En viktig anvendelse av blå LED‑er og tilpassede farger på forespørsel har vært LED‑skjermer for TV‑er, datamaskiner og smarttelefoner, ettersom variasjoner i forholdet mellom rød/grønn/blå er ansvarlige for å vise riktig farge piksel for piksel.

Eller for eksempel bruker planter ikke grønt lys til fotosyntese. Så LED‑lys for innendørs dyrking kan kun bruke røde og blå LED‑er, noe som i stor grad optimaliserer strømforbruket i drivhusdyrking og gjør revolusjonen innen hydroponikk og urbant jordbruk mulig. Kanskje en dag også dyrking av mat i verdensrommet eller på Mars.

Kilde: Agritecture

UV‑LED‑er

Etter den første utviklingen av blå LED‑lys har ytterligere forbedringer gjort et enda kraftigere system som emitterer ultrafiolett lys mulig.

Disse UV‑C LED‑ene kan brukes til å rense vann i enhver skala, fra campingutstyr til forsyningsvirksomheter som betjener titalls millioner mennesker i store byer. De kan også brukes til å drepe luftbårne patogener og sterilisere overflater, for eksempel på sykehus.

Blu‑ray og blå lasere

Som nevnt tidligere, ville blu‑ray og andre høy‑densitets datalagringsløsninger som er avhengige av blå laser ikke vært mulige uten blå LED‑er. Den høye datatettheten er også nyttig for optisk kommunikasjon, spesielt når høy båndbredde kreves.

Blå lasere er også «den ideelle lyskilden for høyreflekterende metallbearbeiding, og gir betydelige fordeler i ulike industrielle anvendelser som kutting og sveising».

Blå lasere brukes også nå til kirurgi på strupehodet, takket være deres høyenergiutgang og absorpsjonen av 445 nm bølgelengde av hemoglobin, noe som gjør en svært presist målrettet koagulering av blodårer mulig.

Galliumnitrid utover LED‑lys

Blå LED‑lys skapte en hel industri som produserer i stor skala og studerer galliumnitridkrystaller. Dette kan igjen skape en revolusjon i design av elektronikk, med galliumnitrid som blir kalt «det neste store innen kraft‑elektronikk».

Galliumnitrid kan fungere ved mye høyere temperaturer og høyere spenning enn silisium‑baserte felt‑effekt‑transistorer (FET‑er). Så galliumnitrid‑baserte komponenter kan brukes til 5G‑mobilbasestasjoner, transistorer, små elektroniske enheter og til og med AI, ettersom databehandlingsapplikasjoner krever stadig høyere energiforbruk.

Alle disse anvendelsene ville ikke vært mulige uten stordriftsfordelene i produksjon og kunnskapsrikdommen som ble skapt av den blå LED‑industrien i utgangspunktet.

Blå LED‑selskaper

Nakamura‑relaterte selskaper

Nakamura utviklet sitt blå LED‑lys mens han arbeidet i Nichia Corporation. Etter et lederskifte i 1989 beordret selskapet faktisk Nakamura til å stoppe arbeidet med prosjektet, noe han heldigvis ikke gjorde. Dette var også gode nyheter for selskapet, som firedoblet inntektene sine fra 1993 til 2001, med 60 % av total virksomhet som kom fra blå LED‑lys.

Nakamura forlot Nichia i 1999, og han ble senere involvert i en kompleks serie rettssaker om eierskapet til teknologien, som involverte Nakamura, Nichia og den amerikanske konkurrenten Cree. Nakamura endte med å inngå en avtale om en betaling på ¥840 millioner (≈US$8,1 millioner) med Nichia.

Nakamura gikk videre til å grunnlegge 2008 Soraa, et privat notert selskap som selger blå LED‑er, som ble nylig kjøpt opp av Ecosense i 2020.

I 2022 var Nakamura medgründer av Blue Laser Fusion, et kommersielt fusjonsselskap. Det har som mål å bruke megajoule‑pulslaser med høy repetisjonsrate for å oppnå kommersiell fusjon. Selskapet planlegger å fullføre sin første prototype i 2025 og demonstrere en kommersielt klar fusjonsreaktor innen 2030.

Blue Laser Fusion støttes av Mirai Creation Fund, som igjen er støttet av Toyota Motor (TM ) og andre investorer.

Med Soraa/Ecosense og Nichia (ikke å forveksle med Nichias – NICFF) som private selskaper, må investorer se på andre produsenter av blå LED‑lys for å investere i den teknologien som ble et grunnlag for moderne innovasjon innen elektronikk, telekommunikasjon, medisin, produksjon og til og med landbruk.

1. SMART Global Holdings

Cree var et amerikansk selskap som var blant de første til å massekommersialisere blå LED‑lys og en stor konkurrent til Nakamura‑relaterte Nichia. Det stod også bak den første kommersielle silisiumkarbid‑skiven.

Senere ble det omdøpt til ‘Wolfspeed’, og solgte sin LED‑virksomhet til SMART Global Holdings i 2021.

Kilde: SGH

SGH administrerte fire forskjellige merker:

• Cree LED
• Penguin Solutions , en AI‑infrastruktur‑løsning.
• Stratus, en ultrareliable databehandlingsplattform.
• SMART Modular Technologies, en leder innen DRMA og solid‑state datalagringsteknologi.

Cree LED utgjør omtrent 1/5^del av total omsetning, og intelligente plattformløsninger utgjør halvparten av total omsetning.

Dermed er SGH ikke et rent LED‑fokusert selskap. Imidlertid er Cree LED eier av viktige IP‑rettigheter (spesielt XLamp‑merket), med et rykte for teknologisk fortreffelighet i feltet og en tilstedeværelse i alle blå LED‑relaterte markeder.

2. Osram (OSAGF)

Osram er et globalt selskap som leder innen sensorer og innovative lysløsninger. Halvledersegmentene, inkludert LED‑er, lasere, integrerte kretser og sensorer, utgjør 2/3 av selskapets inntekter.

Det er spesielt nummer 1 i mange kategorier:

• Auto‑LED‑ og laserlys.
• Tradisjonelle billys.
• LED for hagebruk.
• CT‑medisinsk bildediagnostikk.

Kilde: OSRAM

Totalt sett er OSRAM nummer 2 i LED‑markedet med 13 % markedsandel, bak Nichia (15 %), men langt foran resten av konkurransen som nummer 3 og 4 Seoul Semiconductors (7 %) og Samsung LED (7 %), samt MLS (6 %).

OSRAM er også leder innen lyssensorer, med 29,2 % av markedet, rett foran STMicroelectronics (28,5 %).

Mesteparten av selskapets inntekter kommer fra Asia‑Stillehavsregionen, med nylige inntekter nesten likt fordelt mellom EMEA og Amerika.

LED‑markedet forventes å fortsette å vokse med en CAGR på 6,8 % frem til minst 2028. Dette skyldes hovedsakelig bil‑ og generell belysnings‑LED‑markedene.

Kilde: OSRAM

Med OSRAMs ledelse i bilmarkedet, både klassiske og LED‑lamper, samt hagebruk, er selskapet nesten sikkert på vei til å se sitt totale adresserbare marked vokse kontinuerlig de neste årene.