Viel Licht aus Nanodrähten - Leuchtdioden sollen Glühlampen ersetzen

12.01.2010: Das Institut für Halbleitertechnik der Technischen Universität Braunschweig entwickelt in einem EU-geförderten Forschungsprojekt energiesparende weiße Leuchtdioden. Unter der Leitung von OSRAM Opto Semiconductor GmbH, Regensburg, wollen internationale Expertenteams aus fünf Universitäten, vier Forschungsinstituten sowie fünf Industriepartnern weiße Leuchtdioden (LEDs) kostengünstiger, noch effektiver und "weißer" machen.

Obwohl moderne LEDs aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) bereits so hell sind, dass sie in Autoscheinwerfern eingesetzt werden können, sind Anwendungen für die Raumbeleuchtung noch die Ausnahme. Gerade hier könnte man aber erheblich Energie einsparen, denn etwa 20 Prozent der gesamten Stromerzeugung in Deutschland wird für Beleuchtung genutzt. Durch den aufwendigen und teuren Produktionsprozess sind LEDs als Glühlampenersatz noch nicht für den Massenmarkt geeignet. Zusätzlich ist die Farbtreue von LEDs bislang nicht besonders gut, da sich ihr abgestrahltes Licht in der Regel nur aus zwei Farben zusammensetzt. Die Diode selbst sendet blaues Licht aus ihrer aktiven Zone, in der zusätzlich noch Indium in die Kristallschichten eingebaut wird. Der Indium-Anteil bestimmt die genaue Emissionsfarbe. Über der Halbleiterdiode befindet sich eine Farbstoffschicht, die einen Teil des blauen Lichtes absorbiert und als gelbes wieder abgibt. Zusammen erscheint blaues und gelbes Licht weiß. Je nach Alterungsgrad und Schichtdicke des Farbstoffs erscheint das Licht jedoch manchmal blau- manchmal eher gelbstichig. Das menschliche Auge ist da sehr empfindlich und kann kleinste Farbveränderungen wahrnehmen.

"Die technologische Neuerung in unserem Projekt besteht darin, dass wir LEDs verwenden, die nicht aus dünnen Schichten bestehen, sondern aus dreidimensionalen Nanosäulen", erläutert Privatdozent Dr. Hergo Wehmann vom TU-Institut für Halbleitertechnik. Solchen Strukturen in unterschiedlichen Abmessungen um 100 milliardstel Meter (100 nm) haben Vorteile zu herkömmlichen LEDs:

- Die kristalline Qualität von Nanosäulen wird kaum noch vom Substrat bestimmt, auf dem sie aufwachsen. Vielmehr kann man von teuren Saphir-Substraten auf preisgünstige und größere Silizium-Substrate wechseln. Dies verringert die Herstellungskosten der nanoLEDs.

- Die kleinen Strukturen sorgen dafür, dass das Licht leichter aus dem Halbleiter in die Umgebung abgestrahlt werden kann, die Säulen wirken direkt als Lichtleiter. Außerdem ist die aktive Fläche bei gleicher Grundfläche größer - eine Säule strahlt Licht auf der gesamten Oberfläche ab. Dadurch werden die nanoLEDs stromsparender arbeiten.

- Eine einzige, große strahlende Fläche kann aus vielen nanoLEDs aufgebaut werden, die unterschiedliche Farben abstrahlen. Diese Farben werden dann zu einem angenehmen, "warmen" Weiß gemischt.

Die Forschergruppe um Prof. Andreas Waag aus dem Institut für Halbleitertechnik wird mit 850.000 Euro von der EU gefördert und beschäftigt sich vor allem mit der Herstellung und der Optimierung der Nanostrukturen. Das Projekt nennt sich "SMASH" (Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions) und wird von der Europäischen Kommission über die nächsten drei Jahre mit insgesamt mit 12 Millionen Euro gefördert.