Weißes LED-Licht aus Nanosäulen

(12.2.2010) Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik entwickeln gemeinsam mit anderen Forschungsinstituten und der Industrie im Rahmen eines EU-Projektes weiße Leuchtdioden (LEDs), die auf Nanosäulen*) basieren. Dadurch soll die Produktion von weißen LEDs deutlich billiger werden.

Weißes Licht - eine Mischung aus den verschiedenen Spektralfarben

Weiße LEDs bestehen in der Regel aus Galliumnitrid (GaN), das auf einem Saphirsubstrat Atomlage für Atomlage gezüchtet wird. Solche LEDs produzieren zunächst blaues Licht, das mit einem Lumineszenfarbstoff teilweise gelblich eingefärbt wird. Gelbes und blaues Licht ergibt dann weißes. Saphir als Substrat macht die Herstellung weißer LEDs jedoch vergleichsweise teuer, was sich für die wirklich massenhafte Verbreitung der leuchtenden Winzlinge als Handicap erweist. Außerdem hat das Licht der bisher erhältlichen LEDs noch nicht den optimalen Weißton - der zudem auch nicht immer einheitlich sein muss:

Bild aus dem Beitrag "LEDs - mehr als nur eine neue Lichttechnologie" vom 11.4.2008

Im Rahmen des EU-Projektes SMASH (Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions), das OSRAM (OS) koordiniert, wollen Physiker anstatt der GaN-Schichten nun GaN-Säulen wachsen lassen. Das Saphir-Substrat wollen sie durch preiswertes Silizium ersetzen, das gängige Material in der Halbleitertechnik. Bislang konnte man Silizium nicht als Substrat verwenden, da GaN- Schichten darauf nicht gut wachsen: Die Kristalleigenschaften der beiden Materialien sind zu unterschiedlich, so dass es zu Verspannungen und Defekten in der GaN-Schicht kommt, was die Lichtausbeute verringert.

Bei Nanosäulen soll das anders sein. „Der Einfluss des Substrats auf das Wachstum von Nanosäulen ist viel geringer, Verspannungen haben sich nach wenigen Atomschichten ,rausgewachsen‘“, erklärt Dr. Achim Trampert vom PDI. Erste Versuche hätten bereits gezeigt, dass die GaN-Säulen hervorragende Kristalleigenschaften erwarten lassen. Auch sollen die Säulen eine große Oberfläche auf weisen und somit mehr Licht bei gleicher Grundfläche abstrahlen können.

Um weißes Licht zu erhalten, wollen die Forscher desweiteren innerhalb der GaN-Säulen Schichten mit verschiedenem Indiumgehalt erzeugen. Der Indiumgehalt bestimmt die Wellenlänge, also die Farbe des Lichts. Die Säulen sollen so aus verschiedenen Schichten verschiedenfarbiges Licht abstrahlen - was insgesamt wieder weißes Licht ergibt. Eine „externe“ Umwandlung von farbigem Licht sei dann nicht mehr nötig.

Die oberste Schicht der GaN-Nanosäulen strahlt in einer anderen Wellenlänge, weil hier die Materialzusammensetzung verändert ist. Die Aufnahmen entstanden im Rasterelektronenmikroskop kombiniert mit Kathodolumineszensspektroskopie.

Die Wissenschaftler müssen aber noch einige Probleme lösen. So wachsen wohl die Säulen derzeit noch unregelmäßig. Idealerweise sollen sie alle exakt gleich groß sein und die gleichen Abstände zueinander haben. Auch wie sich Indium unter welchen Bedingungen mit der passenden Menge beimischen lässt, muss noch im Detail geklärt werden. Die Aufgabe der PDI-Forscher wird es vor allem sein, zu untersuchen, wie sich der Prozess des Wachstums der Nanosäulen und ihre Zusammensetzung auf ihre optischen und strukturellen Eigenschaften auswirkt.

Zur Erinnerung: Die Beleuchtung verbraucht heute 20% der gesamten Energie in Deutschland. Da LEDs bei weitem die effizientesten Lichtquellen sind, ließe sich mit ihnen viel Strom sparen. Bis dahin wird es jedoch noch etwas dauern: „Erst wenn weiße LEDs so günstig sind, dass sie als Massenware produziert werden können, werden sie andere Leuchtmittel in großem Stil ablösen“, ist sich Dr. Achim Trampert sicher.

Weitere Partner bei SMASH

Osram Opto Semiconductors GmbH, Università di Roma (I), ETH Zürich (CH), CEA-LETI Minatec (F), University of Bath (UK), Oxford Instruments Plasma Technology Ltd., TU Braunschweig, Universidad Politécnica de Madrid (Spain), PDI, CRHEA-CNRS (F), Obducat Technologies AB (S), MacDermid Autoyppe Ltd. (UK), International Laser Center (Slovakia).

Weitere Informationen können per E-Mail an Dr. Achim Trampert, Paul-Drude-Institut für Festkörperphysik angefordert werden.