21.09.2005

Das Geheimnis blauer LEDs

Das Rätsel blauer und grüner Leuchtdioden (LEDs) ist gelöst: Defekt behaftetes Ausgangsmaterial "schirmt" seine eigenen Fehler ab.




Das Rätsel blauer und grüner Leuchtdioden (LEDs) ist gelöst: Defekt behaftetes Ausgangsmaterial "schirmt" seine eigenen Fehler ab.

Blaue und grüne Leuchtdioden (LED) erobern seit mehr als zehn Jahren den Alltag. Warum sie aber funktionieren, war für Physiker und Ingenieure aus aller Welt bisher ein Rätsel. Forscher aus Braunschweig haben es jetzt gelöst. Mit ihrem Wissen können sie die Energieausbeute der hoch effizienten Lichtquellen noch mehr steigern.

Sie erzeugen zum Beispiel das Grün in modernen energiesparenden Verkehrsampeln und sorgen für das blaue Licht bei der Armaturenbeleuchtung von Autos: Aufgrund ihrer hohen Effizienz lassen sich immer mehr Anwendungsgebiete für blaue und grüne Leuchtdioden erschließen. In naher Zukunft werden weiße Leuchtdioden auf dieser Basis zunehmend für die Allgemeinbeleuchtung interessant, als Taschenlampe kann man sie heute schon kaufen.

Abb.: Die Energielandschaft in der "aktiven" Schicht des LED-Materials. Das Galliumnitrid entwickelt kegelförmige Ausbuchtungen rund um die Defekte. Auftreffende Elektronen können dadurch nicht "verschluckt" werden und setzen Photonen frei - die Lichtemission findet statt. (Quelle: TU Braunschweig - Inst. f. Angewandte Physik)

Für die Experten war die hohe Effizienz dieser Leuchtdioden allerdings immer ein Rätsel. Das zugrunde liegende Material Galliumnitrid (GaN) weist nämlich eine große Zahl struktureller Defekte auf - sogar millionenfach mehr als das Material in roten Leuchtdioden mit vergleichbarer Effizienz. Bei roten LED würde eine derart hohe Zahl von Defekten jegliche Lichtemission unterdrücken.

Viele Jahre lang wurde spekuliert, dass nur eine Lokalisierung von Ladungsträgern in diesem stark inhomogenen Material die einzig vorstellbare Erklärung für die rätselhaft große Effizienz der Lichtemission sein könne. Prof. Andreas Hangleiter vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Braunschweig und sein Team haben nun das Rätsel gelöst und eine überzeugende Erklärung für das paradoxe Phänomen gefunden. Gemeinsam mit Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig konnten sie einen bisher unentdeckten Mechanismus nachweisen, mit dem sich die Defekte im Material gleichsam selbst "abschirmen" und so die Unterdrückung der Lichtemission verhindern.

"Schon seit langem können wir Galliumnitrid in den Zustand versetzen, bei dem dieses Phänomen auftritt. Dadurch wurden die LED erst möglich", erläutert Prof. Hangleiter, "doch der Weg dorthin war bisher reine Alchemie - niemand wusste, was wirklich mit dem Material geschah." Sein Forscherteam konnte unter dem Transmissionselektronenmikroskop beobachten, wie sich unter bestimmten Laborbedingungen kegelförmige Ausbuchtungen rings um die Defekte herum bildeten. Wie eine Barriere schirmen diese die Defekte ab und verhindern, dass die Lichtemission unterdrückt wird.

"Unsere Erkenntnisse machen nun eine noch bessere Ausnutzung der Galliumnitrid-basierten LED möglich", so Hangleiter. "Schon jetzt haben wir einen Rekordwert von 73 Prozent für die interne Effizienz blauer LED im Labor erreicht". Das übertrifft die Ergebnisse anderer Forschergruppen um etwa die Hälfte. Und höhere Werte sind durchaus realistisch. Die größten Verbesserungen sind künftig im grünen und im ultravioletten Spektralbereich zu erwarten. Auch für die industrielle Anwendung dürfte das ein Meilenstein sein.

Quelle: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

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