Weißes Licht aus Nanosäulen

Forscher des Paul-Drude-Instituts für

Festkörperelektronik entwickeln gemeinsam mit der Industrie und anderen

Forschungsinstituten im Rahmen eines EU-Projektes weiße Leuchtdioden

(LEDs), die auf Nanosäulen basieren. Dadurch könnte die Produktion von

energiesparenden weißen LEDs deutlich billiger werden.

Weißes Licht ist  eine Mischung

aus den verschiedenen Spektralfarben. Weiße LEDs bestehen in der Regel

aus Galliumnitrid (GaN), das auf einem Saphirsubstrat Atomlage für

Atomlage als dünne Schicht gezüchtet wird. Solche LEDs produzieren

zunächst blaues Licht, das mit einem Lumineszenfarbstoff teilweise in

gelbes Licht umgewandelt wird. Gelbes und blaues ergibt dann weißes

Licht. Saphir als Substrat macht die Herstellung weißer LEDs jedoch sehr

teuer, was der massenhaften Verbreitung der leuchtenden Winzlinge

bislang noch im Wege steht. Außerdem hat das Licht der bisher

erhältlichen LEDs noch nicht den optimalen Weißton.

Im Rahmen des EU-Projektes SMASH

(Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light

Solutions), das die Firma OSRAM (OS) koordiniert, wollen die Physiker

anstatt der 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,

deshalb kommt es zu Verspannungen und Defekten in der GaN-Schicht, was

die Lichtausbeute verringert.

Bei Nanosäulen ist das anders.

„Der Einfluss des Substrats auf das Wachstum von Nanosäulen ist viel

geringer, Verspannungen haben sich nach wenigen Atomschichten

'rausgewachsen'“, erläutert Dr. Achim Trampert vom PDI. Erste Versuche

zeigen, dass die GaN-Säulen hervorragende Kristalleigenschaften haben.

Auch weisen die Säulen eine große Oberfläche auf und können somit mehr

Licht bei gleicher Grundfläche abstrahlen. Das erhöht die Lichtausbeute

der LEDs. Um weißes Licht zu erhalten, wollen die Forscher  innerhalb

der GaN-Säulen Schichten mit verschiedenem Indiumgehalt erzeugen. Der

Indiumgehalt bestimmt die Wellenlänge, also die Farbe des Lichts. Die

Säulen strahlen aus verschiedenen Schichten verschiedenfarbiges Licht

ab, was insgesamt weißes Licht ergibt. Eine Umwandlung von farbigem

Licht ist dann nicht mehr nötig.

Die Wissenschaftler müssen dabei

noch viele Probleme lösen, zum Beispiel, dass die Säulen derzeit noch

unregelmäßig wachsen. Idealerweise sollen sie alle exakt gleich groß

sein und die gleichen Abstände zueinander haben. Auch wie viel Indium

sich unter welchen Bedingungen 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. Dazu verwenden sie spektroskopische und mikroskopische

Messmethoden mit hoher Auflösung.

Die Beleuchtung verbraucht heute

20 Prozent 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)

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