Licht aus Silizium

Forscher eines kanadischen Start-ups wollen einen Weg finden, LED-Leuchten mit weißem Licht aus kostengünstigem Silizium herzustellen. Diese könnten eines Tages unsere Abhängigkeit von ineffizienten Glühbirnen beenden, in dem sie die traditionell in LEDs verwendeten, teuren Halbleiter-Zusammensetzungen durch das billigere Chip-Material ersetzen.

"Weil wir auf Silizium setzen, gehen wir davon aus, dass die Leuchten kostengünstig sein werden", meint Stephen Naor, CEO der jungen Firma Group IV Semiconductor mit Sitz in Ottawa. "Das ist ein kritischer Punkt, denn wenn die Technik nicht erschwinglich ist, wird sie auch niemand kaufen."

Rund 60 Prozent aller in der Welt abgesetzten Leuchten sind nach wie vor Glühbirnen – aus gutem Grund, denn sie kosten nur minimale Cent-Beträge. Doch ganze 95 Prozent der verbrauchten Energie dieser Birnen gehen als Wärme drauf. So genannte "Solid-State"-Leuchten werden hingegen bislang hauptsächlich nur für Spezialanwendungen verwendet – LEDs an Weihnachtsbaumbeleuchtungen beispielsweise. Diese Technik setzt auf Galliumnitrid-Halbleiter, von denen Experten glauben, dass sie künftig häufiger für ganz normale Beleuchtungszwecke verwendet werden.

Doch LEDs aus Galliumnitrid und anderen Halbleiter-Komponenten bedeuten kostenintensive Produktionsprozesse. "Das Problem dabei ist, dass man immer Mischungen nutzt, und diese besitzen immer auch Unreinheiten. Die Materialien können daher nur unter Verwendung hochspezieller Geräte in einem hochreinen Vakuum in ausreichender Qualität hergestellt werden", erklärt Sylvain Charbonneau, Professor für Physik an der University of Ottawa und Direktor für Technologieanwendungen am National Research Council of Canada. Charbonneau ist außerdem Direktor des Canadian Photonics Fabrication Centre, in dem Group IV Semiconductor seine Prototypen entwickeln will.

Auch als Rohmaterial ist Galliumnitrid teurer als Silizium, das auf diesem Planeten reichlich vorhanden ist. Gleichzeitig existiert hier zudem eine Billionen Dollar teure Infrastruktur, die für die globale Elektronikindustrie gebaut wurde. Möglichkeiten und Eigenschaften der Siliziumtechnologie sind zudem breit erforscht. "Silizium ist im Elektronikbereich so etwas wie Kohlenstoff in der organischen Chemie", meint Moungi Bawendi, Chemieprofessor am MIT und Experte für Halbleiter-Nano-Materialien. "Es ist Sand – viel besser geht's nicht. Daraus ergibt sich ganz sicher ein Kostenvorteil, wenn man LEDs auf Silizium aufbaut."

Einen großen Nachteil gibt es allerdings: Silizium gibt Licht nur sehr schwach ab. Group IV Semiconductor hat deshalb eine Struktur entwickelt, bei der der elektrische Strom zwischen einer oben gelegenen, transparenten Schicht auf ein Substrat aus Silizium weitergegeben wird. Zwischen diesen beiden Schichten befindet sich eine dritte Schicht aus Silizium-Nano-Kristallen, so genannten Quantenpunkten, die Licht abgegeben können. Legt man einen Strom an, werden die Elektronen in den Nano-Kristallen mit Energie versorgt. Kehren sie in ihre natürliche Ausgangsposition zurück, geben sie die Energie in Form von Photonen ab – es wird Licht.

"Wenn das Produkt fertig ist, wird es ganz bestimmt direkt mit konventionellen LEDs konkurrieren, doch seine Lichterzeugung wird auf atomarer Ebene anders sein", sagt Charbonneau, "die Technologie ist neu". Group IV-Firmenchef Naor glaubt, dass Silizium-basierte "Licht-Chips" bis zu 90 Prozent weniger Energie als Glühbirnen verbrauchen würden und ungefähr 50 Mal länger halten. Endziel sei ein helleres, qualitativ hochwertigeres Licht zu Kosten, die wesentlich geringer seien als bei konventionellen LEDs. Für die legt man derzeit ziemlich viel Geld auf den Tisch: So kostet eine Birne mit einem Cluster aus 36 LEDs gut 40 Dollar. "Man kann eine LED-Birne aus vielen einzelnen LEDs bauen. Wir erwarten allerdings, dass unser Licht-Chip aus Silizium allein hell genug sein wird, eine 100 Watt-Glühbirne zu ersetzen – wir sind also heller. Verwendet man nur einen Chip, hat das große Kostenvorteile."

Bis jetzt sei die Technologie allerdings noch nicht soweit, gibt Naor zu. "Wir haben noch viel Arbeit, unsere Leuchte heller und so effizient zu gestalten, wie wir das wollen." Außerdem müsse man die Lebenszeit erreichen, die die Industrie erwarte.

Gleichzeitig ist auch der traditionelle LED-Markt nicht im Stillstand begriffen. So bringt etwa Philips Lumileds Lighting aus Kalifornien, der größte Hersteller von Hochenergie-LEDs, ständig neue Produkte auf den Markt. Der Industrieentwicklungsverband Optoelektronik erwartet den Ersatz der alten Glühbirnen-Technik durch LEDs bis 2012. Einige Jahre später seien dann auch Leuchtstoffröhren dran.

Es ist noch unklar, ob Group IV Semiconductor seine Konkurrenten einholen kann, doch nach vier Jahren der Forschung kann das Unternehmen seine Technologie nun endlich in die Prototyp- und Produktentwicklungsphase überleiten. "Das Ziel ist, dass wir bald etwas demonstrieren können – eine echte Leuchte – innerhalb der nächsten drei Jahre", meint Naor und glaubt, dass das Produkt dann in fünf Jahren auf dem Markt sein und mit heutigen Kompaktleuchtstoffröhren konkurrieren kann. "Die Leute sind bereit, für diese Produkte zu bezahlen. Man kann nur schwer präzise sagen, wo wir vom Preis her in drei oder vier Jahren sind, aber in diese Richtung sollte es schon gehen."

EnCana Corp, ein kanadischer Erdgas-Gigant, hat zusammen mit dem regierungseigenen Förderungsprogramm Sustainable Development Technology Canada insgesamt 4,6 Millionen kanadische Dollar zur Entwicklung bei Group IV Semiconductor beigetragen. Vinod Khosla mit seiner Silicon-Valley-Risikokapitalfirma Khosla Ventures hat ebenfalls investiert.

MIT-Professor Bawendi ist allerdings skeptisch, was den Zeitplan der Firma anbetrifft: "Drei Jahre wären verdammt schnell, ich weiß allerdings nicht, von welchem Ausgangspunkt sie starten. Die Herausforderung liegt in der Effizienz. Die muss hoch sein, die Kosten aber sehr niedrig."

Immerhin geht es um einen globalen Leuchtmittel-Markt, der mit 12 Milliarden Dollar bewertet wird. Im Solid-State-Bereich mit weißem Licht ergäben sich "viele potenzielle Möglichkeiten", meint Bawendi. "Es ist ein riesiger Markt. Jeder, der davon ein kleines Stück abbekommt, wird gut verdienen."

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)