Ein Weg zu billigen LEDs

Produktionsmethoden aus der Chipherstellung könnten die Kosten für die effizienten Leuchtmittel deutlich verringern.

Ein kalifornisches Start-up hat eine preisgünstige Herstellungstechnik für LEDs entwickelt. Die halbleiterbasierten Lichtquellen gelten als attraktiver Ersatz für alte Glühbirnen ebenso wie für neuere quecksilberhaltige Leuchtstofflampen, sind derzeit aber noch verhältnismäßig teuer.

LEDs werden derzeit normalerweise auf einem Substrat aus Siliziumcarbid oder Saphir hergestellt – beides nicht gerade günstige Werkstoffe. Bridgelux hat nun einen neuen Prozess entworfen, der Maschinen einsetzt, die bereits für die Chipproduktion verwendet werden. So könnten sich die Herstellungskosten im besten Fall um 75 Prozent reduzieren lassen.

Trotz der höheren Energieeffizienz und langen Lebensdauer werden LED-Leuchtmittel nur langsam flächendeckend eingesetzt. Grund sind hohe Anschaffungskosten. 30 bis 60 Prozent davon gehen in der Produktion für die LEDs selbst drauf, der Rest für Steuerelektronik und das Abwärmemanagement. In den USA zahlt man so für eine LED-Lampe, die das Lichtäquivalent einer 60-Watt-Glühbirne liefert, noch bis zu 40 Dollar. Bridgelux hofft, die Kosten auf 9 bis 18 Dollar drücken zu können. Das ginge sogar noch günstiger, sobald Steuerelektronik und LED zusammen hergestellt werden.

Leuchtmittel nach dem neuen Bridgelux-Herstellungsverfahren sollen 135 Lumen pro Watt liefern. Das amerikanische Energieministerium will bis 2012 Effizienzen von 150 Lumen pro Watt erzielen. Einige LED-Hersteller wie Cree zeigten das bereits. Glühbirnen schaffen nur 15 Lumen pro Watt, während Leuchtstofflampen zwischen 50 und 100 Lumen pro Watt liefern.

Weiße LEDs werden normalerweise hergestellt, indem blaue Galliumnitrid-Elemente mit gelbem Leuchtstoff überzogen werden. Das Galliumnitrid "wächst" auf zwei bis vier Zoll großen Wafern aus Saphir oder Siliziumcarbid heran. Cree setzt beispielsweise auf letzteres, weil das "die besseren LEDs" ermögliche, wie Firmensprecherin Michelle Murray sagt.

Größere Wafer würden eigentlich die Herstellungskosten drücken. Das Problem: Aus den Ausgangsstoffen Saphir oder Siliziumcarbid lassen sich diese nur sehr teuer und kompliziert produzieren. Firmen wie Osram Opto Semiconductors in Deutschland fangen gerade an, auf 15-Zentimeter-Wafer (5,9 Zoll) auf Saphir-Basis umzusteigen. Viel größer scheint es jedoch mit der aktuellen Technik nicht zu gehen. In der Chipbranche sind stattdessen 20-Zentimeter-Wafer aus Silizium Routine – und genau hier will auch Bridgelux hin. Tatsächlich stammen die neuartigen Rohlinge des Start-ups sogar aus einer alten Siliziumfabrik im Silicon Valley.

Es ist allerdings schwer, Galliumnitrid auf Silizium wachsen zu lassen, weil sich die Materialien mechanisch unterschiedlich verhalten. Der Produktionsprozess wird bei einer Temperatur von rund 1000 Grad Celsius durchgeführt, erläutert Colin Humphreys, Materialwissenschaftler an der Cambridge University. Kühlt das Galliumnitrid, entstehen aufgrund der dabei auftretenden Materialspannung Bruchstellen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, sind zusätzliche Dünnschichtebenen um das Galliumnitrid, die es vorsorglich komprimieren.

Humphreys und seinem Team gelang so die Herstellung von Galliumnitrid-LEDs auf Silizium – mit einer Effizienz von immerhin 70 Lumen pro Watt. Bridgelux, das derzeit keine genauen Details über seinen neuen Herstellungsprozess verrät, könnte eine ähnliche Technik verwenden. "Die Ergebnisse sind jedenfalls beeindruckend", sagt Humphreys. Die Kombination von geringen Kosten mit hoher Effizienz sei sehr attraktiv.

Andere LED-Hersteller wie Osram versuchen ebenfalls, Galliumnitrid-LEDs auf Siliziumbasis zu erzeugen. Wer wirklich die Nummer eins auf dem Markt sein wird, ist entsprechend unklar. Bridgelux hofft, erste kommerzielle Bausteine in den nächsten zwei bis drei Jahren liefern zu können. (bsc)