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GALLIUM-LED – VOM ELEMENT ZUM DEVICE
Martin Völkel, Chemie B.Sc. 5.SemesterAC V Hauptseminar
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ÜBERSICHT
Eigenschaften, Vorkommen
Gewinnung, Aufarbeitung
Grundlagen der Halbleiter:
Halbleiter, Dioden, Bandlücken
Farbigkeit & weißes Licht
Herstellung von GaN/ Probleme
Vor-/Nachteile, Recyling von Ga
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EIGENSCHAFTEN
silberweißes,
glänzendes Metall
Smp 29,78 °C,
Sdp. 2403 °C
elektrische Leitfähigkeit:
(achsenabhängig)
relative Volumenänderung beim Schmelzen −3 %
Dichteanomalie
Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gallium_crystals.jpg
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VORKOMMEN
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
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GEWINNUNG
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 1996http://www.norandaaluminum.com/images/the-bayer-process-wheel-Final.png
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GEWINNUNG
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), 13-27Trueb, Lucier F. Die chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1996
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AUFARBEITUNG
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
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HALBLEITER
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 2004G. Held: Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, London 2009
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FUNKTION EINER DIODE
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 ∆keffiziente Energieumwandlung, Übergang wahrscheinlich
indirekt: ∆E über +∆k Übergang unwahrscheinlicher, geringe Effizienz
http://semiconductores-posgrado.mx/f_flores/fis_scs/animation_diode_junction_fast.gifhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur_-_indirekter_Band
%C3%BCbergang.svghttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bandstruktur
http://www.hs-lighting.com/FAQ/7.html
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BANDLÜCKEN & BAND GAP TUNING
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
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FARBIGKEIT & WEIẞES LICHT
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-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), 351-359, 1997
Theoretical studies on band structure and optical properties of 3C–SiC by FPLAPW Pengshou Xu
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ERZEUGUNG WEIẞEN LICHTES
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
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DARSTELLUNG VON INGAN
GaN: Verbindungshalbleiter, Wurtzit-Struktur
über MOVPE (Metal Organic Vapour 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 2000http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wurtzite_polyhedra.png
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PROBLEME DER HERSTELLUNG
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 Energy Electron Beam Irradiation)
lange Zeit Konzentration auf ZnSe Vernachlässigen von GaN
F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), 351-359, 1997S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000
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, RECYCLING GA
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
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VOR/NACHTEILE GAN-LED
Vorteile: hohe Lichtausbeute geringer Stromverbrauch hohe Lebensdauer mech. Unempfindlichkeit
Nachteil: benötigte Seltenerden (Ga, In, La, Y, Gd,
Ce)
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ZUSAMMENFASSUNG
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