LED bei 210 Nanometer

Eine neue Leuchtdiode (LED) sendet UV-Licht mit einer Wellenlänge von 210 Nanometer aus - Weltrekord.

Atsugi (Japan) - Rund 50 Gigabyte Daten speichern die DVD-Scheiben der kommenden Generation. Die im Wettstreit stehenden Standards Blu-Ray und HD-DVD nutzen dazu blau-violette Laser, deren Licht mit einer Wellenlänge von 405 Nanometern einzelne Datenpunkte schreiben und auslesen kann. Ein Vielfaches dieser Datenmenge könnte in Zukunft mit ultravioletten Lasern auf die schillernden Scheiben gebannt werden. Die Basis dazu legten nun japanische Forscher mit einer neuen Leuchtdiode (LED). Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, kann sie Licht mit Wellenlängen von 210 Nanometern aussenden.

Abb.: Spektrum der Sonnenstrahlung, die auf der Erdoberfläche ankommt und Verbindungshalbleiter für Leuchtdioden mit ihren Emissionsbereichen. (Quelle: Nature)

„Ultraviolette Festkörper-Lichtquellen sind attraktiv für Speicher mit hoher Datendichte, die biomedizinische Forschung und für die Reinigung und Sterilisation von Wasser und Luft“, schreiben Yoshitaka Taniyasu und seine Kollegen von den NTT Basic Research Laboratories im japanischen Atsugi. Um den derzeitigen Rekordwert für eine Leuchtdiode von 210 Nanometern Wellenlänge zu erreichen, nutzten sie einen bisher von LED-Forschern nicht beachteten Verbindungshalbleiter, Aluminiumnitrid (AlN). Dank einer Bandlücke von sechs Elektronenvolt kann Aluminiumnitrid für die Aussendung von ultravioletten Photonen verwendet werden. Diese Eigenschaft macht Aluminiumnitrid ebenfalls interessant für die Entwicklung von ultraviolett-strahlenden Halbleiterlasern, die für das Schreiben und Auslesen von Datenpunkten auf einer DVD geeignet sind.

Für ihren Prototyp deponierten Taniyasu und Kollegen eine 750 Nanometer dicke AlN-Schicht auf einem Siliziumcarbidsubstrat. Darauf folgten hauchdünne AlN-Schichten, die einerseits mit Silizium-, andererseits mit Magnesium-Atomen dotiert wurden. Dadurch herrscht entweder ein Mangel (p-Typ) oder ein Überschuss (n-Typ) an Elektronen vor. Durch elektrische Spannungen von bis zu 25 Volt erzeugte Elektronen-Loch-Paare können in dem mehrschichtigen Aufbau einer AlN-Leuchtdiode nun wieder zueinander finden, rekombinieren und dabei Lichtteilchen aussenden. Allerdings liegt die Ausgangsleistung bisher nur bei etwa 0,02 Milliwatt (40 mA). Die Quanteneffizienz ist dementsprechend gering und erreicht Werte von etwa einem Millionstel Prozent. In kommerziell erhältlichen Leuchtdioden für das sichtbare Spektrum liegen die Quanteneffizienzen bei etwa zehn Prozent.

Bis die neue UV-LED jedoch in Serie gefertigt werden kann, muss sowohl der Herstellungsprozess optimiert als auch die Lichtausbeute wesentlich verbessert werden. „Erstens muss die Effizienz mindestens um das Millionenfache erhöht und zweitens die Betriebsspannung von 25 Volt signifikant gesenkt werden“, schreibt Asif Khan vom Photonics and Microelectronics Laboratory der University of South Carolina in einem begleitenden Kommentar. Aber ebenso wie die Entwicklung eines UV-Lasers auf Aluminiumnitrid-Basis scheint das nur eine Frage der Zeit zu sein. Danach werden DVD-Scheiben mit Speicherdichten von mehreren hundert Gigabyte nicht lange auf sich warten lassen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Yoshitaka Taniyasu et al., An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres, Nature 441, 325 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04760 
• Kommentar: 
  Asif Khan, A bug-beating diode, Nature 441, 299 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/441299a 
• NTT Basic Research Laboratories, Atsugi: 
  http://www.brl.ntt.co.jp/E/index.html 
• Aufbau UV-LED: 
  http://www.brl.ntt.co.jp/E/index.html#topic 
• Hintergrund - Bluray: 
  http://de.wikipedia.org/wiki/Bluray 
• Hintergrund HD-DVD:
  http://de.wikipedia.org/wiki/HD-DVD

Weitere Literatur:

• Nakamura, S. et al. Jpn J. Appl. Phys. 34, L797 (1995). 
• Kinoshita, A. et al. Appl. Phys. Lett. 77, 175 (2000). 
• Sun, W. et al. Jpn. J. Appl. Phys. 43, L1419 (2004).