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Leuchtende Türme 

Dreidimensionale LEDs sorgen für hocheffiziente Beleuchtung.

  • Jana Hartmann, Andreas Waag, Adrian Avramescu und Martin Straßburg
  • 11 / 2016 Seite: 35

Lichtemittierende Dioden (LEDs) haben sich als Leuchtmittel der Zukunft durchgesetzt. Sie können elektrische Energie viel effizienter in Licht umwandeln als herkömmliche Glühlampen oder Energiespar­lampen. In Zukunft soll sich mit Hilfe eines dreidimensionalen Aufbaus der LEDs auf mesoskopischer Ebene der Wirkungsgrad sogar noch weiter erhöhen – bei deutlich geringeren Herstellungskosten.

Die Entwicklung von Weißlicht-LEDs ermöglichte Mitte der 90er-Jahre den Durchbruch einer völlig neuen Beleuchtungstechnologie: Solid State Light­ing. Seitdem wurden LEDs aus Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN) Schritt für Schritt weiter entwickelt. Die aktive InGaN-Schicht in der LED selbst emittiert blaues Licht, das Leuchtstoffe wie Phosphor teilweise in gelbes Licht konvertieren – so entsteht weißes Licht. Dabei hatten in den späten 80er-Jahren nur wenige Forscher geglaubt, dass GaN sich als Halbleitermaterial für LEDs eignen könnte, weil es zu viele Probleme gab – von der Herstellung der Kristalle bis zur passenden Dotierung. Doch einige japanische Wissenschaftler gaben nicht auf und entwickelten die entscheidenden Prozessschritte: Sie ließen GaN kris­tallin auf Saphir aufwachsen und konnten es sowohl n- als auch p-dotieren. So entstand 1992 die erste blaue GaN/InGaN-LED [1]. Für diese Entwicklung erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Physik-Nobelpreis [2]. Nachdem sich die Forschung über ein Jahrzehnt lang vor allem auf die Steigerung der Ausgangsleistung fokussierte, entbrannte in den frühen 2000ern ein Wettrennen um Effizienzrekorde. Heutzutage erreichen kommerzielle GaN-Weißlicht-LEDs Effizienzen von über 160 lm/W, die besten Labormuster erzielen sogar über 300 lm/W [3]. Im Vergleich dazu schaffen typische Glühlampen nur 10 bis 20 lm/W: Sie benötigen für dieselbe Lichtmenge also über zehnmal mehr elektrische Energie (Infokasten „Lichtausbeute und Lichtstrom“).

Leuchtdioden für die Allgemeinbeleuchtung bestehen aus einer lichtemittierenden, sehr dünnen Schicht aus InGaN, die in einen pn-Übergang eingebettet ist. In dieser Schicht treffen freie Ladungsträger – Elektronen und Löcher – zusammen und rekombinieren vorwiegend strahlend, d. h. unter Aussendung eines Photons. Die Energie der Photonen, und damit die Farbe des Lichts, entspricht der Energie der Bandlücke der InGaN-Schicht. Aufgrund der Quantentrog-Struktur von InGaN treten Quantisierungsenergien auf und modifizieren diesen Wert weiter. Die aktive, leuchtende Schicht besteht aus einem oder mehreren Quantentrögen, weshalb die eingeprägten Bandverläufe und die damit verbundenen Potentialverläufe sowohl Elektronen als auch Löcher lokalisieren (Abb. 1). Dieses Design ermöglicht eine sehr effiziente strahlende Rekombination, die üblicherweise im blauen Spektralbereich bei etwa 450 nm liegt...

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