Fortschrittliche Materialien für hocheffiziente LEDs

Mit großen Versprechungen für einen geringeren Energieverbrauch und hohe Wirkungsgrade bieten Leuchten mit Festkörper-Lichtquellen das Potenzial, die Beleuchtungsindustrie zu revolutionieren. Weitere Fortschritte bei der Lichtemissionseffizienz bei hohen Strömen mit ausgezeichneter Farbwiedergabe bei niedrigen Kosten würde die größere Verbreitung dieser Technologie erheblich beschleunigen.

Das EU-finanzierte Projekt ALIGHT (AlGaInN materials on semi-polar templates for yellow emission in solid state lighting applications) untersucht die Materialien für diese verbesserten Leuchten, indem es neue großflächige semipolare Vorlagen mit Saphir und Silizium-Substraten entwickelt. Diese semipolaren Vorlagen helfen, die eingebauten elektrischen Felder in Leuchtdioden, die deren Farbstabilität und Effizienz beeinträchtigen, zu reduzieren und bieten eine großflächige, kostengünstige Plattform für das Züchten von LED-Schichten. Das Projekt verwendet außerdem das InAlGaN-Material (Indium-Aluminium-Gallium-Nitrid) für die lichtemittierenden Schichten, gedacht für blaue und gelbe Emission.

Eine große Herausforderung ist das Strukturieren des Wafers, um semipolare Schichten auf dem strukturierten Saphirsubstrat zu erzeugen und zu koaleszieren. Hierfür bewerten die Wissenschaftler die Auswirkungen von Substratfeinorientierung und Wachstumsparametern durch Röntgenmessungen, Lumineszenz- und atomare Bildgebung. Mithilfe von metallorganischer und Hydrid-Gasphasenepitaxie (MOVPE und HVPE) werden Schichten auf den Substraten gezüchtet. Das aktive lichtemittierende Material besteht aus Quantenquellen mit einer hohen optischen Effizienz und ausgezeichneter Farbreinheit.

Im Laufe der ersten Projektphase führten die Forscher maßgebliche Arbeiten im Hinblick auf die Züchtung semipolarer GaN-Vorlagen mit unterschiedlichen Ansätzen durch.

Die Projektpartner verwendeten die HVPE-Technik um GaN auf einer mittels MOVPE gezüchteten GaN-Schicht zu bilden, die anfänglich auf vorstrukturiertem Saphir hergestellt wurde. InGaN-Schichten wurden dann auf semipolaren GaN-Vorlagen mit unterschiedlichen Wachstumstemperaturen gezüchtet. Semipolare InGaN-Strukturen mit unterschiedlichen Dicken wurden optimiert und erreichten hohe Konversionsleuchteffizienzen in den blauen und gelben Spektren.

Die Züchtung auf semipolaren Substraten soll dazu beitragen, das Problem einer Verringerung der LED-Leuchteffizienz zu überwinden. Derzeitige Beleuchtungstechnologien durch Feststoffbeleuchtung auf Basis von InGaN-LEDs zu ersetzen, sollte eine Reduzierung des Stromverbrauchs um bis zu 5% ermöglichen.