Nobel Ödülü Başarılarına Yatırım – Mavi Işık LED Diyotları Geleceği Aydınlatıyor

A Mundane Revolution

Fizik Nobel Ödüllerinin bir kısmı, evreni anlama biçimimizdeki temel devrime, kara deliklerden (2020) alt atom parçacıklarına (2013) ya da evrenin genişlemesine (2011) atfedilir. Diğerleri ise daha “sıradan” gibi görünen keşifleri ödüllendirir; ancak bu keşifler, insan medeniyeti üzerinde yaratacağı kalıcı ve radikal etki nedeniyle kesinlikle kazanılmaya değerdir.

2014 Nobel Ödülü, mavi ışık yayan diyotların keşfi için Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ve Shuji Nakamura’ya atfedilen, bunlardan biridir.

LED diyotlar, kırmızı, sarı ve yeşil ışık yayabilen LED diyotlar, LED teknolojisinin icadından beri bilinmektedir. Ancak beyaz ışık yaymak için, LED diyotların gerektiğinde mavi ışık yayması gerekir ve bu zor bir görev oldu.

The Right Type Of Light

Quantum Energy

Mavi ışığın LED ile üretilmesini bu kadar zor kılan, LED diyotların temel fiziğinden kaynaklanmaktadır.

LED’ler, kuantum fiziği prensipleri sayesinde ışık üretir. Kuantum fiziğinin basitleştirilmiş bir versiyonunda, atomlar bir çekirdekten oluşur ve bu çekirdeğin etrafında bir ya da birkaç elektron döner; tıpkı Dünya’nın Güneş etrafında dönmesi gibi.

Kuantum mekaniği kuralları gereği, bu elektronlar yalnızca önceden belirlenmiş seviyelerde, her biri belirli bir enerji seviyesine göre, atom çekirdeği etrafında “dönebilir”. Bir elektron yüksek bir enerji seviyesinden düşük bir seviyeye geçerken, fazlalık ışık şeklinde yayılır.

Düşük enerjili ışık, ışık spektrumunun “kırmızı” tarafında yer alırken, yüksek enerjili ışık spektrumun mavi tarafında bulunur.

Kaynak: Online Learning College

LED Basics

Atomların ışık yayma yeteneği, temel fizikten kaynaklanır ve LED diyotların temel prensibini oluşturur. Pratikte, birkaç daha spesifik özellik gerekir.

Bir LED diyot oluşturmak için öncelikle yarı iletken malzemelere ihtiyaç vardır; bu malzemeler elektriği geçirebilir ya da engelleyebilir (bu yüzden “yarı” ifadesi kullanılır).

Ardından iki farklı yarı iletken türünü birleştirmeniz gerekir:

• Elektronları serbest bırakabilen, “n-tipi” olarak da adlandırılır.
• Elektronları alacak ekstra boşluğa sahip olan, “p-tipi” olarak adlandırılır.

LED’lerde kullanılan yarı iletken kombinasyonları bir “band boşluğu”na sahiptir; iki malzeme arasındaki enerji potansiyeli farkı belirgindir.

Elektronlar bir yarı iletkenden diğerine hareket ettiğinde, serbest kalan enerji diyotun istediğimiz ışığı oluşturur.

Kaynak: BYJUS

Erken LED sistemlerinde iki yarı iletken türü arasındaki enerji farkı çok küçüktü ve bu durum düşük enerjili kızılötesi ışığın yayılmasına neden oldu. Bilim insanları ve elektronik şirketler, bu enerji boşluğunu artırmanın bir yolunu hızla buldu ve kırmızı, sarı ve yeşil renklerde görünür ışık yayan LED’ler ortaya çıktı.

Bu iyileştirmelerin kilit bir kısmı, önceden saf yarı iletken malzemelerin diğer elementlerle “spike” edilmesiyle performanslarının artırılmasıydı.

Kaynak: Wikipedia by VectorVoyager 

Bu yöntem, LED’lerin mavi ışık yayması için gereken yüksek enerjili band boşluğunu oluşturmakta birkaç on yıl yetersiz kaldı.

The Tricky Path To Blue LED Diodes

Gallium Nitride – A Tricky Miracle Material

Kırmızı ve yeşil LED’lerde kullanılan, daha düşük enerjili LED ışıkları için tercih edilen galyum arsenik (1,42 eV) ve galyum fosfit (2,26 eV) gibi malzemelerin band boşluğu, mavi ışık için gereken 2,6‑3,4 eV aralığının altındaydı.

Alternatif olarak galyum nitrür (3,37 eV) bulundu. Galyum nitrür kullanarak mavi LED ışığı üretmek iyi bir fikir gibi görünse de, pratikte uygulanması imkânsız gibi görünüyordu.

Kaynak: Britannica

İlk engel, galyum nitrür kristallerinin büyütüleceği bir yüzey hazırlama yönteminin olmamasıydı. Ayrıca, galyum nitrürün p-tipi katmanının nasıl yapılacağı da bilinmiyordu. Birçok kişi, galyum nitrürü mavi ışık için işlevsel bir LED sistemine dönüştürmeye çalıştı ve başarısız oldu. İşte 2014 Nobel Ödülü’nün üç galibi burada devreye girdi.

Solving Blue Led From Multiple Angles

1986 yılında, Isamu Asaki ve Hiroshi Amano, safir bir alt tabakada alüminyum nitrür tabakası üzerine galyum nitrür kristallerini nasıl büyüteceklerini ilk keşfedenler oldu.

Birkaç yıl sonra bir p-katmanı oluşturdular ve nihayet 1992’de parlak mavi ışık yayan ilk LED prototipini geliştirdiler.

Paralel olarak, Shuji Nakamura 1988’de mavi LED’i geliştirmeye başladı. Galyum nitrür kristalini kendi yöntemiyle büyütmüş; önce düşük sıcaklıkta ince bir galyum nitrür tabakası, ardından daha yüksek sıcaklıkta sonraki katmanları yetiştirmişti.

True Understanding Of Gallium Nitride

Asaki ve Amano’nun p-katmanı, galyum nitrürün taramalı elektron mikroskobunun elektron ışınına maruz bırakılmasıyla optimize edildi.

Nakamura, elektron mikroskobunun nasıl çalıştığını açıklayan teorik çerçeveye sahipti: bu cihaz hidrojen atomlarını kaldırıyor, p-katmanın oluşmasını engelliyordu. Daha sonra aynı sonuca ulaşmak için daha basit ve daha ucuz bir yöntem geliştirdi: malzemenin kontrollü ısıtılması.

Paralel araştırma grupları, mavi LED’leri için giderek daha gelişmiş ve karmaşık tasarımlara yönelmeye devam etti; galyum nitrürü alüminyum veya indiyumla alaşım haline getirerek yarı iletkenleri etkili bir şekilde doping yaptı ve ışık çıktısını ve verimliliğini artırdı.

Kaynak: Nobel Prize

Ayrıca mavi ışık LED’lerini kullanarak mavi lazerler icat ettiler. Mavi ışık frekansı diğer renklerden çok daha düşük olduğu için, kızılötesi ışığa göre 4 kat daha fazla bilgi taşıyabilir ve bu da Blu‑ray disklerinin yolunu açtı.

Blue LED Light Achievements

More Light From Less Electricity

Mavi LED’ler, beyaz ışık üretmeyi mümkün kıldı ve bu sayede çoğu ampul ve floresan lambanın LED’lerle değiştirilmesi sağlandı. Bu özellikle dikkat çekicidir; çünkü LED’ler ampullere göre 20 kat, akkor lambalara göre ise 4 kat daha verimlidir.

Kaynak: Nobel Prize

Elektrik tüketiminin 1/4^üünün ışık üretmeye harcandığı göz önüne alındığında, bu durum küresel enerji tüketiminde radikal bir tasarruf anlamına gelir.

Ayrıca, küçük güneş panelleri veya diğer alternatif enerji kaynaklarıyla uzak ya da yoksul bölgelerde ışık sağlanabildiği için şebekeden bağımsız aydınlatma sistemlerini çok daha uygulanabilir kılar. Bu da üretkenliğin artmasını ve eğitimin iyileşmesini sağlar.

Customized Colors

Beyaz LED’lere ek olarak, kırmızı, yeşil ve mavi LED’lerin kombinasyonu, görünür spektrumun tüm olası renklerini oluşturmayı sağlar. Bu da niş uygulamalar için çeşitli özelleşmiş LED’lerin yolunu açar.

Mavi LED’lerin ve talep üzerine özelleştirilen renklerin büyük bir uygulaması, TV, bilgisayar ve akıllı telefonlar için LED ekranlar olmuştur; çünkü kırmızı/yeşil/mavi oranındaki dalgalanmalar, piksel piksel doğru rengi göstermeyi sağlar.

Veya örneğin, bitkiler fotosentez için yeşil ışık kullanmaz. Bu yüzden iç mekan yetiştiriciliği için LED ışıklar yalnızca kırmızı ve mavi LED’leri kullanabilir, sera yetiştiriciliğinin enerji tüketimini büyük ölçüde optimize eder ve hidroponik ve kentsel tarım devrimini mümkün kılar. Ve belki bir gün uzayda ya da Mars’ta gıda üretimi.

Kaynak: Agritecture

Ultraviolet LEDs

Mavi ışık LED’inin ilk geliştirilmesinin ardından, daha fazla iyileştirme, ultraviyole ışık yayan çok daha güçlü bir sistemin mümkün olmasını sağladı.

Bu UV‑C LED’ler, kamp ekipmanlarından büyük şehirlerde on milyonlarca kişiye hizmet veren altyapılara kadar her ölçekte suyu arındırmak için kullanılabilir. Ayrıca, havadaki patojenleri öldürmek ve yüzeyleri sterilize etmek için, örneğin hastanelerde, kullanılabilir.

Blu-Ray And Blue Lasers

Daha önce belirtildiği gibi, mavi lazerlere dayanan blu‑ray ve diğer yüksek yoğunluklu veri depolama çözümleri, mavi LED’ler olmadan mümkün olamazdı. Yüksek veri yoğunluğu, özellikle yüksek bant genişliği gerektiğinde, optik iletişim için de eşit derecede faydalıdır.

Mavi lazerler aynı zamanda “yüksek yansıtıcı metal işleme için ideal ışık kaynağıdır; kesme ve kaynak gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda önemli avantajlar sunar”.

Mavi lazerler artık gırtlak cerrahisinde de kullanılmaktadır, yüksek enerji çıkışı ve 445 nm dalga boyunun hemoglobin tarafından emilmesi sayesinde kan damarlarının çok hassas bir şekilde koagülasyonunu sağlar.

Gallium Nitride Beyond LED Lights

Mavi LED ışıkları, ölçekli üretim ve galyum nitrür kristallerinin incelendiği bir bütün endüstri yarattı. Bu da, elektronik tasarımında bir devrim yaratabilir; galyum nitrür “güç elektroniğinde bir sonraki büyük trend olarak adlandırılıyor.

Galyum nitrür, silikon tabanlı alan etkili transistörlerden (FET) çok daha yüksek sıcaklıklarda ve daha yüksek voltajlarda çalışabilir. Bu nedenle, galyum nitrür temelli teknolojiler 5G hücresel baz istasyonları, transistörler, küçük elektronik cihazlar ve hatta yapay zeka için kullanılabilir; çünkü bilgi işlem uygulamaları giderek daha yüksek enerji tüketimi gerektirir.

Tüm bu uygulamalar, üretimdeki ölçek ekonomileri ve mavi LED endüstrisinin ilk etapta yarattığı bilgi birikimi olmadan mümkün olmazdı.

Blue Led Companies

Nakamura-Related Companies

Nakamura, Nichia Corporation’da çalışırken mavi LED ışığını geliştirdi. 1989’da yönetim değişikliğinden sonra şirket, Nakamura’ya projeyi durdurmasını emretti; ancak o şans eseri bunu yapmadı. Bu aynı zamanda şirket için iyi bir haber oldu; çünkü 1993‑2001 yılları arasında gelirini dört katına çıkardı ve toplam iş hacminin %60’ı mavi LED ışıklarından geliyordu.

Nakamura, 1999’da Nichia’dan ayrıldı ve daha sonra teknoloji mülkiyeti üzerine Nakamura, Nichia ve ABD merkezli rakibi Cree arasında karmaşık bir dizi davaya karıştı. Sonunda Nakamura, Nichia ile 840 milyon ¥ (≈8,1 milyon ABD$) ödeme yaparak anlaşmaya vardı.

2008 yılında mavi LED’ler satan özel bir şirket olan Soraa‘yı kurdu; bu şirket 2020’de Ecosense tarafından satın alındı.

2022’de Nakamura, Blue Laser Fusion adlı ticari bir nükleer füzyon şirketi kurdu. Şirket, yüksek hızlı tekrarlama oranına sahip mega-joule darbe enerjili lazerler kullanarak ticari füzyona ulaşmayı hedefliyor. İlk prototipi 2025’te tamamlamayı ve 2030’a kadar ticari hazır bir füzyon reaktörünü sergilemeyi planlıyor.

Blue Laser Fusion, Toyota Motor (TM ) ve diğer yatırımcıların da desteklediği Mirai Creation Fund tarafından finanse edilmektedir.

Soraa/Ecosense ve Nichia ( Nichias – NICFF ile karıştırılmamalıdır) özel listelenen şirketlerle birlikte, yatırımcıların elektronik, telekomünikasyon, tıp, üretim ve hatta tarımda modern yeniliğin temeli haline gelen bu teknolojiye yatırım yapmak için diğer mavi LED ışık üreticilerine bakmaları gerekir.

1. SMART Global Holdings

Cree, mavi LED ışıklarını kitlesel olarak ticarileştiren ilk şirketlerden biri olan ve Nakamura ile ilişkili Nichia’nın büyük bir rakibi olan Amerikan şirketiydi. Aynı zamanda ilk ticari silikon karbür wafer’ının da arkasındaydı.

Daha sonra ‘Wolfspeed‘ olarak yeniden markalaştı ve LED işini 2021’de SMART Global Holdings’e sattı.

Kaynak: SGH

• Cree LED
• Penguin Solutions , bir AI altyapı çözümü.
• Stratus, ultra güvenilir bir bilgi işlem platformu.
• SMART Modular Technologies, DRMA ve katı hal veri depolama teknolojisinde lider bir şirket.

Cree LED, toplam gelirin yaklaşık 1/5ⁱini temsil eder ve akıllı platform çözümleri toplam gelirin yarısını oluşturur.

Bu nedenle, SGH sadece LED odaklı bir şirket değildir. Ancak, Cree LED, önemli fikri mülkiyetlerin (özellikle XLamp Brand) sahibidir ve alanda teknolojik mükemmeliyet ve tüm mavi LED ile ilgili pazarlarda varlık konusunda bir üne sahiptir.

2. Osram (OSAGF)

Osram, sensörler ve yenilikçi ışık çözümlerinde lider olan küresel bir şirkettir. LED’ler, lazerler, entegre devreler ve sensörler dahil yarı iletken segmentleri, şirket gelirlerinin 2/3’ünü oluşturur.

Özellikle birçok kategoride #1’dir:

• Otomotiv LED ve lazer ışıkları.
• Geleneksel otomotiv ışıkları.
• Hortikültür LED’i.
• CT Medikal görüntüleme.

Kaynak: OSRAM

Genel olarak, OSRAM LED pazarında %13 pazar payı ile #2 konumundadır; Nichia (%15) arkasında kalır, ancak #3 ve #4 Seoul Semiconductors (%7) ve Samsung LED (%7) ve MLS (%6) gibi rakiplerin çok önündedir.

OSRAM ayrıca ışık sensörlerinde %29,2 pazar payı ile liderdir; bu, STMicroelectronics’in (%28,5) biraz önündedir.

Şirketin gelirlerinin çoğu Asya-Pasifik bölgesinden gelmekte olup, son gelirler EMEA ve Amerika arasında neredeyse eşit olarak bölünmüştür.

LED pazarının en az 2028’e kadar %6,8 yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) ile büyümeye devam etmesi bekleniyor. Bu durum büyük ölçüde otomotiv ve genel aydınlatma LED pazarlarından kaynaklanmaktadır.

Kaynak: OSRAM

OSRAM’ın otomotiv pazarındaki liderliği sayesinde, klasik ve LED lambalar ile hortikültür de dahil olmak üzere, şirketin toplam adreslenebilir pazarının önümüzdeki birkaç yıl içinde sürekli büyüyeceğine neredeyse emin olabilir.