Innovation

Blaue Leuchtdioden mit Rekord-Lichtstärke

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Jan Oliver Löfken

Foto: rj_gr/sv / dpa

Leuchtdioden wandeln elektrischen Strom viel effizienter in Licht um als Glühlampen. US-Forscher konnten deren Lichtausbeute noch weiter steigern. Die Technik könnte den Weg in die Unterhaltungselektronik und Telekommunikation finden – z.B. als winzige Projektoren in Handys.

Bei der Helligkeit stellen weiße Leuchtdioden (LED) mit über 1000 Lumen bereits Halogenlampen in den Schatten. US-Forscher konnten nun die Lichtausbeute noch weiter steigern. Wie sie jetzt im Fachblatt „Physica status solidi – rapid research letters“ berichten, konnten ihre Prototypen Effizienzwerte von deutlich über 40 Prozent erreichen – ein neuer Rekord, der aber noch mit hohen Produktionskosten erkauft werden muss.

Die ersten Leuchtdioden, die die Forscher auf der Basis des Halbleitermaterials Galliumnitrid herstellten, sendeten blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 402 Nanometern aus. Bei einer Ausgangsleistung von 28 Milliwatt betrug die sogenannte externe Quantenausbeute – so der Fachbegriff für die Effizienz des Leuchtens – 45,4 Prozent. „Nach unserem Wissen sind diese Werte die höchsten, von denen bei einer Leuchtdiode jemals berichtet wurde“, schreiben Kwang-Choong Kim und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara.

Um diesen Rekordwert zu erreichen, mussten wenige Nanometer dünne Schichten des Halbleiterwerkstoffs in speziellen Nanostrukturen, sogenannten Quantentöpfen (Quantum wells), angeordnet werden. In diesen winzigsten Gebilden ist die Bewegungsfreiheit eines Teilchens, etwa eines für den Stromfluss verantwortlichen negativ geladenen Elektrons oder seines Gegenstücks, einer Elektronenlücke, in einer der drei Raumdimensionen eingeschränkt. Das Teilchen kann so neue quantenmechanische Zustände einnehmen. Dabei lösten die Forscher ein Problem, das bisher höhere Lichtausbeuten verhindert hat. Sogenannte Polarisationseffekte trennten bisher viele freie Ladungsträger, Elektronen und Elektronenlöcher, so weit voneinander, dass sie sich nicht wieder vereinen konnten. Aber erst bei dieser Vereinigung senden sie den erwünschten Lichtpuls aus.

Mit neuen Materialien und Strukturen aus den Halbleitermaterialien Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Galliumnitrid (GaN) konnten die Forscher diese störende Polarisation vermeiden. Deutlich mehr Ladungsträger fanden zueinander und konnten für die Lichterzeugung genutzt werden.

„Die erreichte Quantenausbeute ist eindeutig ein bemerkenswertes Resultat“, beurteilen Ulrich Schwarz von der Universität Regensburg und Michael Kneissl von der TU Berlin die vielversprechenden Ergebnisse. Sie demonstrierten das Potenzial von polarisationsreduzierten InGaN-Leuchtdioden für eine hoch effiziente Lichterzeugung. Bevor diese LEDs zu hellerem Licht mit geringerem Stromverbrauch führen, müssen indes noch weitere Hürden überwunden werden. Schwarz und Kneissl sehen eine der größten Herausforderungen in der Entwicklung von großen Flächen. Zudem müsse die Lebensdauer dieser neuen LEDs noch exakt überprüft werden.

Wegen der derzeit großen Kosten für Galliumnitrid werden die ersten Anwendungen wohl nicht zu materialintensiven blauen und weißen Leuchtflächen führen, sondern eher zu weniger aufwendigen Laserdioden. Diese könnten dann die Grundlage für winzige Bildprojektoren in Handys oder für hochauflösende Heimkinoprojektoren bilden.

Weitere Infos im Web: ucsb.edu