HYBRID WHITE LIGHT-EMITTING DIODES: STUDY AND FABRICATION OF THIN-FILM AND NANOWIRE-BASED DEVICES

Light emitting diodes are very compact and durable semiconductor devices that possess extraordinary physical properties for the generation of light. The white LED quietly moved from the middle of the 1990s to a point where, today, the lighting market is completely revolutionized. With the industry of solid state lighting demanding for always brighter and economic LEDs, the scientific research responds with innovative layouts and more efficient materials also mixed with applied nanotechnologies. Hybrid white light emitting diodes, for example, also use blue LEDs but replace the conventional inorganic material for color conversion with an organic dye that has a higher quantum conversion yield. The combination of a nanostructured blue light source with organic dyes can lead to another interesting structure that it is worth investigating on. In this work, two layouts for novel hybrid white light emitting diodes were designed, fabricated and characterized. The first one consisted in a heterojunction ZnO/GaN nanowire-based hybrid device that showed an easy processing with a low-cost acqueous solution growth technique; the color conversion achieved with an organic perylene-based yellow dye coating led to the realization of a cold white hybrid LED. The second device exploited the properties of the organic conversion layer at the maximum of its capabilities with the use of an high-brightness GaN/InGaN blue pump source. Moreover, mixing yellow and red organic dyes resulted in the color tuning of the hybrid structure’s emission. Finally, a detailed study of the conversion layer stability was also reported together with the solutions that can be adopted to obtain the best performances out of the hybrid white light emitting diode.

I diodi ad emissione luminosa sono dei dispositivi a semiconduttore che posseggono straordinarie proprietà fisiche di generazione della luce. Il primo LED bianco si è mosso silenziosamente dalla metà degli anni 90 fino a un punto in cui, oggi, il mercato dell’illuminazione è stato totalmente rivoluzionato. A fronte dell’industria dell’illuminazione a stato solido che richiede LED sempre più luminosi ed economici, la ricerca scientifica risponde con strutture innovative, nuovi materiali più efficienti, anche combinati con l’uso delle nanotecnologie applicate. I diodi bianchi ibridi ad emissione luminosa, ad esempio, fanno anch’essi uso di un LED blu, come in un tradizionale diodo bianco, ma in essi il materiale inorganico convenzionale per la conversione del colore è sostituito da un colorante organico cha una maggiore resa quantica. La combinazione di una sorgente blu nanostrutturata con tali coloranti costituisce un’interessante struttura non ancora esaustivamente studiata in letteratura. In questo lavoro, due strutture per diodi bianchi ibridi innovativi sono state progettate, fabbricate e caratterizzate. La prima consiste in un dispositivo a eterogiunzione ZnO/GaN, basato su nanofili di ossido di zinco, ottenuto con una tecnica di crescita in soluzione acquosa a basso costo; la conversione del colore, ottenuta tramite un colorante organico giallo a base di perilene, ha portato alla realizzazione di un LED ibrido bianco a luce fredda. Il secondo dispositivo ha sfruttato al massimo le proprietà dello strato organico di conversione del colore, facendo uso di una sorgente blu di pompa basata su una struttura GaN/InGaN ad alta luminosità. Inoltre, combinando opportunamente coloranti organici gialli e rossi, è possibile ottenere il controllo fine sul colore di emissione della struttura ibrida. Infine, viene presentato uno studio dettagliato sulla stabilità dello strato di conversione, insieme ad alcune soluzioni che possono essere adottate per ottenere le migliori prestazioni dal diodo ibrido bianco.