Silizium statt Saphir

Leuchtdioden (LEDs) sind als Lichtquelle besser geeignet als die als besonders umweltfreundlich geltenden Kompaktleuchtstofflampen: Sie verbrauchen weniger Energie, brennen länger und enthalten kein giftiges Quecksilber. Das Problem: Dioden, die das dazu notwendige weiße Licht aussenden, sind noch zu teuer für den Massenmarkt. Forscher an der Purdue University wollen das nun ändern: Sie haben eine Methode entwickelt, mit der sich diese Leuchten aus kostengünstigeren Grundmaterialien herstellen lassen.

LEDs sind Halbleiter, die Lichtphotonen abgeben, wenn eine Spannung angelegt wird. Um ihre weiße Variante herzustellen, benötigt man eine LED, die blaues Licht abgibt, das dann entweder passend gefiltert wird oder in Kombination mit roten und grünen LEDs die gewünschte Farbe ergibt. Kommerzielle blaue Leuchtdioden verwendet heutzutage üblicherweise Galliumnitrid-Halbleiter. Diese sind aber nur teuer auf einem Saphirsubstrat herzustellen. Die Purdue-Forscher fanden nun einen Weg, blaue Galliumnitrid-LEDs zu schaffen, in dem mehrere Metallschichten übereinander gestapelt wurden – auf Silizium.

Das hat mehrere Vorteile. Silizium ist billiger und in größeren Maßstäben erhältlich als Saphirsubstrate. Silizium führt außerdem Wärme effizienter ab und kann deshalb in der fertigen LED verbleiben. Eine entsprechende Lampe hält länger und bleibt länger hell. Da das Saphirsubstrat Wärme nur schlecht leitet, müssen LEDs, die auf ihm gezüchtet wurden, zunächst entfernt und auf eine andere Oberfläche aufgebracht werden. Das bedeute teure Extraschritte, wie Timothy Sands, Direktor des Purdue University Birck Nanotechnology Center, sagt, der das Forscherteam leitet.

Noch haben die Wissenschaftler nicht berechnet, wie viel Geld sich in der Herstellung so einsparen ließe. Doch Silizium sei billig und produktionstechnisch leicht skalierbar. "Das ist Grund genug für mich, anzunehmen, dass wir sehr viel kostengünstiger wären." Andere Verbesserungen wie die erwähnte höhere Wärmeleitfähigkeit und ein stärkeres Reflexionsvermögen verbessern das Endprodukt zusätzlich. Noch beziffern die Forscher Effizienzgrad und Lichtausbeute ihrer neuen weißen LED nicht, so dass auch hier kein direkter Vergleich möglich ist. Spannend sei aber auf jeden Fall, welchen Einfluss der Erfolg einer solchen Technik auf das Energiesparpotenzial haben kännte, meint Sands, der hofft, dass heutige Glühbirnen eines Tages direkt gegen weiße LEDs ausgetauscht werden können.

Ihr Ergebnis erzielten die Purdue-Forscher, indem sie mit unterschiedlichen Metallschichten experimentierten. Da Silizium Licht absorbiert, was dem Endziel der Lichtabgabe entgegenläuft, mussten die Forscher den Halbleiter zunächst mit einer Zirconiumnitrid-Schicht überziehen, die nach unten abwanderndes Licht wieder nach oben reflektiert. Allerdings reagiert die Schicht negativ mit dem Silizium und sorgt für eine Leistungsverringerung der gesamten LED. Deshalb setzten die Forscher eine Aluminiumnitrid-Schicht dazwischen, die solche chemischen Probleme verhindert. Der letzte Schritt ist dann die Ergänzung der für blaue LEDs so wichtigen Galliumnitrid-Schicht.

"Das ist eine interessante materialwissenschaftliche Innovation", meint Steven DenBaars, Co-Direktor am Solid-State Lighting Center der University of California in Santa Barbara, das als führend in der Forschung an weißen LEDs gilt. Er glaube aber, dass es bis zur praktischen Umsetzung noch eher lange dauern werde.

Ein wichtiges Problem, das die Purdue-Forscher noch lösen müssen: Die fertigen LED-Prototypen neigen dazu, nach der Herstellung Risse zu bekommen. Der Grund: Das Silizium schrumpft nicht so schnell wie die Galliumnitrid-Schicht. Sands glaubt aber, dass sich dieser unschöne Effekt umgehen lässt. Das neue Substrat sei "bereit dafür, dass die Industrie es weiterentwickelt". Die an der Purdue University erfundene Technik soll deshalb bald an eine Firma lizenziert werden, die sie dann perfektionieren kann. In den nächsten paar Jahren seien dann bereits kommerzielle Produkte vorstellbar, meint Sands.

Viele große Firmen sind derzeit dabei, an weißen LEDs zu arbeiten. General Electric und Philips gehören dazu – sie verkaufen bereits entsprechende Komponenten für High-End-Anwendungen in Architektur und Industrie. Die Chancen sind verlockend. Kompaktleuchtstofflampen nutzen ungefähr 25 Prozent der Energie, die alte Glühbirnen benötigen. Die derzeit verfügbare LED-Generation ist schon jetzt effizienter als das. Weitere Fortschritte der Technik sollten mehr herausholen. In Nischenprodukten ist die Technologie längst allgegenwärtig: So stecken immer öfter LEDs in Ampeln oder Taschenlampen. (bsc)