GaN-basierte LEDs: Physikalische Grundlagen und Bauelemente · Ausgewählte Kapitel der...

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Ausgewählte Kapitel der Festkörperphysik GaN-basierte LEDs: Physikalische Grundlagen und Bauelemente Toni Sembdner Abstract: In dieser Ausarbeitung geht es um die grundlegende Funktionsweise von LEDs. Dabei wird insbesondere auf die GaN-basierten LEDs, deren Aufbau, Bandstruktur sowie Defektdichte eingegangen. Außerdem werden einige Methoden zur Herstellung von Weißlicht-LEDs basierend auf GaN-LEDs erläutert.

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Ausgewählte Kapitel der Festkörperphysik

GaN-basierte LEDs: Physikalische Grundlagen und Bauelemente

Toni Sembdner

Abstract:

In dieser Ausarbeitung geht es um die grundlegende Funktionsweise von LEDs. Dabei wird insbesondere auf die GaN-basierten LEDs, deren Aufbau, Bandstruktur sowie Defektdichte eingegangen. Außerdem werden einige Methoden zur Herstellung von Weißlicht-LEDs basierend auf GaN-LEDs erläutert.

Überblick:

1. Einleitung ...................................................................................................... 22. Physikalische Grundlagen der LED .............................................................. 3

2.1. p-n-Übergang ........................................................................................ 3 2.2. Diodenkennlinie .................................................................................... 4 2.3. Doppel-Heterostruktur .......................................................................... 5 2.4. Auskoppeleffizienz, interner und externer Quantenwirkungsgrad ....... 7

3. GaN-basierte LEDs ....................................................................................... 8 3.1. Geschichte ............................................................................................. 9 3.2. Aufbau und Bandstruktur ...................................................................... 10 3.3. Substrat und Defekte ............................................................................. 11 3.4. Flip Chip und Thin Film Flip Chip LEDs ............................................. 12

4. Weißlicht-LEDs ............................................................................................. 13 4.1. Luminescence Conversion .................................................................... 14 4.2. Phosphor Down-Conversion ................................................................. 15 4.3. Color Mixing ......................................................................................... 16

5. Zusammenfassung ......................................................................................... 17

1. Einleitung:

Licht emittierende Dioden (LEDs) sind zwar schon seit den 60ern erhältlich, haben aber bis heute eine erstaunliche Entwicklung hinter sich. Dank der Fortschritte in der Materialtechnologie gelang es die Leuchteffizienz bis heute praktisch zu vertausendfachen (siehe: Abbildung 1). Waren damals in erster Linie nur rote und orange LEDs möglich bzw. effizient genug, kann man zur Zeit mit LEDs das gesamte sichtbare Spektrum abdecken. Wesentlich dazu beigetragen haben nicht zuletzt die Gallium-Nitrid-(GaN-)basierten grünen und blauen LEDs die es erst seit den 90ern gibt.

LEDs finden heute fast überall Verwendung, wo es um Beleuchtung geht, zum Beispiel bei Verkehrsampeln und -leitsystemen, bei der Autobeleuchtung (d.h. bei der Innenbeleuchtung als auch den Scheinwerfern), bei der Raumbeleuchtung und bei Displays vom Handy bis zu großen Flachbildschirmen. Die Entwicklung von Weißlicht-LEDs, die auf einer blauen GaN-LED basieren, spielt dabei eine besondere Rolle, da diese in Zukunft die Glühbirnen als herkömmliche Lichtquellen ablösen könnten, da sie weniger Strom verbrauchen und eine viel größere Lebensdauer haben.

2. Physikalische Grundlagen der LED:

2.1 p-n-Übergang

Um die grundlegende Funktionsweise einer Leuchtdiode zu verstehen, betrachtet man zunächst den einfachen p-n-Übergang. Abbildung 2 zeigt einen p-n-Übergang im thermischen Gleichgewicht, das heißt ohne angelegte Spannung. Zunächst befinden sich die beiden Halbleiter räumlich voneinander getrennt. N-dotiert bedeutet, dass ein Elektronenüberschuss vorliegt und p-dotiert, dass ein Elektronenmangel, also ein Überschuss an „Löchern“, vorliegt. Aufgrund dieser unterschiedlichen Dotierungen befindet sich das Ferminiveau beim p-dotierten Halbleiter nahe des Valenzbandes und beim n-dotierten Halbleiter nahe des Leitungsbandes. Bringt man nun diese beiden Halbleiter in Kontakt, würden die Ferminiveaus auf beiden Seiten unterschiedlich liegen. Da diese im thermischen Gleichgewicht allerdings gleich sein müssen, verschieben sich die Bänder derart, dass dieses gewährleistet ist, was zur typischen Bandstruktur des p-n-Übergangs führt. Das bewirkt, dass im p-Gebiet die Akzeptoren unter das Ferminiveau gedrückt (also mit Elektronen besetzt) werden und im n-Gebiet die Donatoren über das Ferminiveau gedrückt (also entleert bzw. positiv geladen) werden. Die Elektronen und Löcher sind „frei“ bewegliche Ladungsträger, daher diffundieren Elektronen ins p-Gebiet und Löcher ins n-Gebiet hinein und es stellt sich eine Diffusionsspannung ein (UD). Andererseits sorgt die sich aus den ionisierten Störstellen ergebende ortsfeste Raumladung am p-n-Übergang für ein elektrisches Feld und deshalb für Feldströme von Elektronen und Löchern.

Abbildung 1: Entwicklung der LEDs von 1960 bis 2000 [4]

Abbildung 2: Bandstruktur eines p-n-Übergangs [5]

Im thermischen Gleichgewicht kompensieren sich die Diffusionsströme und Feldströme gerade, sodass die Ladungsträgerkonzentration genau am Übergang gleich Null ist. Um diese dort zu erhöhen, legt man eine äußere Spannung in Durchlassrichtung an, also positive Spannung am p-Kontakt und negative am n-Kontakt.

Durch das Anlegen der konstanten Spannung wird das thermische Gleichgewicht gestört und die Verhältnisse am p-n-Übergang können als stationärer Zustand nahe am thermischen Gleichgewicht angesehen werden. Anstatt des Ferminiveaus kann ein Quasi-Ferminiveau definiert werden, das sich für Elektronen und Löcher aufspaltet (siehe: Abbildung 3). Die angelegte Spannung in Durchlassrichtung bewirkt zudem, dass die Potentialbarriere für Elektronen und Löcher verringert wird und sich die Ladungsträgerkonzentration am p-n-Übergang erhöht. Dadurch können mehr Elektronen und Löcher miteinander rekombinieren. Gewünscht ist dabei die strahlende Rekombination unter Emission eines Photons, dessen Wellenlänge direkt vom Bandabstand abhängt. Unerwünscht ist die nichtstrahlende Rekombination unter Emission von Phononen (quantisierte Gitterschwingungen), die zu Wärmeentwicklung führen.

2.2. Diodenkennlinie

Wie die angelegte Spannung vom fließenden Strom bei Dioden abhängt, zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe: Abbildung 4). Zu Sehen ist dabei, dass der Strom ab einer bestimmten Spannung (Schleusenspannung) erst exponentiell zunimmt und dann geradlinig ansteigt. Die

Abbildung 3: p-n-Übergang unter Spannung in Durchlassrichtung [5]

Abbildung 4: Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener Halbleiter in Durchlassrichtung [1]

Schleusenspannung hängt von der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials ab, da diese erst überwunden werden muss. Das heißt, je größer die Bandlücke ist, desto mehr Spannung wird benötigt bevor Strom fließen kann. Dargestellt ist allerdings nur die Spannung in Durchlassrichtung, da Leuchtdioden generell nur in Durchlassrichtung betrieben werden. In Sperrrichtung stellt sich zunächst ein von der angelegten Spannung unabhängiger Sperrstrom ein. Ab einer bestimmten Spannung (Durchbruchspannung) sind die Bänder dann so weit verbogen, dass die Ladungsträger anfangen, durch die Potentialbarriere zu „tunneln“ und es zu einem lawinenartigen Anstieg des Stroms kommt. Der Verlauf einer solchen Kennlinie wird wesentlich durch mehrere Faktoren beeinflusst (siehe: Abbildung 5).

Zum einen verändert sich der Verlauf abhängig vom seriellen und zum anderen vom parallelen Widerstand der verwendeten Bauelemente. Der serielle Widerstand beeinflusst den Anstieg des Stromes und der parallele Widerstand sorgt für einen Stromfluss noch bevor die sog. Turn-On-Voltage („Einschaltspannung“) überschritten ist. Der Grund für diese Widerstände sind die Defekte im Halbleiter, denn die sorgen für Leckströme, die in einem parallelen Widerstand resultieren. Außerdem erhöhen Defekte den Widerstand der einzelnen GaN-Schichten und somit den parallelen Widerstand.

2.3 Doppel-Heterostruktur

Um die Effizienz von Leuchtdioden grundlegend zu steigern, verwendet man die so genannte Doppel-Heterostruktur. Der Unterschied zwischen einer Homo- und einer Heterostruktur besteht darin, dass bei der Heterostruktur zwei verschiedene Halbleiter mit unterschiedlicher Dotierung aufeinander aufgebracht werden. Eine Doppel-Heterostruktur besteht also aus einer Halbleiterschicht mit einer kleineren Bandlücke, die sich zwischen zwei Schichten mit einer größeren Bandlücke befindet. Das hat zur Folge, dass sich beide Ladungsträger in der mittleren Schicht sammeln, da die angrenzenden größeren Bandlücken als Potentialbarrieren funktionieren. Durch die wesentlich größere Konzentration der Ladungsträger in einem kleineren Bereich als bei der Homostruktur, bei der sich Elektronen und Löcher auf einen weiteren Bereich verteilen, kommt es auch wesentlich häufiger zu Rekombinationsprozessen unter Emission von Photonen, deren Wellenlänge von der Bandlücke dieser so genannten aktiven Zone abhängt (siehe: Abbildung 6).

Abbildung 5: Diodenkennlinie beeinflussende Widerstände [1]

2.4 Auskoppeleffizienz, interner und externer Quantenwirkungsgrad

Um nun die Effizienz von Leuchtdioden effektiv zu bestimmen, wurden mehrere Kenngrößen definiert: Interner Quantenwirkungsgrad (IQE), Auskoppeleffizienz und externer Quantenwirkungsgrad (EQE). Der IQE beschreibt den Anteil des Diodenstroms, der Lumineszenz erzeugt und ergibt sich aus:

Anzahl erzeugter PhotonenAnzahl der LED zugeführten Elektronen

Die Auskoppeleffizienz beschreibt den Anteil der erzeugten Photonen, die den Halbleiter auch anschließend verlassen:

Anzahl aus HL emittierte PhotonenAnzahl erzeugter Photonen

Zuletzt beschreibt der EQE den Anteil des Diodenstroms, der aus dem Halbleiter emittierte Photonen erzeugt:

Anzahl aus HLemittierte PhotonenAnzahl der LED zugeführten Photonen

Der EQE ergibt sich aus dem Produkt des IQE und der Auskoppeleffizienz. Er ist immer kleiner als der IQE, denn neben der internen Reabsorption führt vor allem die totale interne Reflexion dazu, dass die Auskoppeleffizienz nie 100% beträgt. Der Brechungsindex von Halbleitern ist deutich größer als der von Luft, weshalb nur Photonen den Halbleiter verlassen können, die die Grenzfläche in einem Winkel treffen, der kleiner ist als C (siehe: Abbildung 7).

Dieser kritische Winkel für die Totalreflexion an Grenzflächen ergibt sich aus den Brechungsindizes des Halbleiters ( n1 ) und des an ihn angrenzenden Materials ( n2 ):

Abbildung 6: Diode mit Homostruktur (links) und Heterostruktur (rechts) in Durchlassrichtung [1]

Abbildung 7: kritischer Winkel an Grenzfläche [1]

C=arcsinn2

n1

Für die Grenzfläche von GaN mit einem Brechungsindex von 2,5 und Luft mit einem Brechungsindex von 1 ergibt sich somit ein kritischer Winkel von C=23,6 ° . Photonen, die die Grenzfläche in einem größeren Winkel treffen werden reflektiert und können den Halbleiter nicht verlassen.

Um die interne Reflexion zu verringern gibt es in der Praxis mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann man eine Epoxidschicht auf den Halbleiter bringen, die ihn nicht nur schützt sondern einen Brechungsindex von 1,5 besitzt. Die Lichtauskopplung wird dadurch aber nur geringfügig verbessert. Zum anderen kann man die Form des Halbleiters so verändern, dass weniger Photonen die Grenzfläche in einem großen Winkel treffen, indem man ihn z.B. rund (siehe: Abbildung 8) oder mit spitzen Ecken gestaltet (siehe: Abbildung 9) . Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche so zu bearbeiten, dass die Grenzfläche nicht mehr glatt verläuft, sie praktisch angeraut wird. Dadurch kann eine wesentliche Steigerung der Auskoppeleffizienz erzielt werden.

3. GaN-basierte LEDs:

3.1 Geschichte

Die Geschichte von Gallium-Nitrid(GaN)-LEDs ist noch vergleichsweise jung. Erstmals wurde 1986 von Amano und Akasi GaN mit einer Nukleationsschicht auf ein Saphirsubstrat ( Al 2 O3 ) abgeschieden. Drei Jahre später gelang es ihnen als erste, GaN erfolgreich mittels Magnesium zu p-dotieren. Im Jahre 1991 begann daraufhin Shuji Nakamura in Japan mit der Entwicklung blauer LEDs und bereits ein Jahr später brachte sein damaliger Arbeitgeber Nichia die ersten blauen, auf GaN basierenden LEDs auf den Markt.

Das Interesse an Gallium-Nitrid ist deshalb so groß, weil es eine große Bandlücke von 3,4 eV besitzt und theoretisch als ternäre Verbindungen InGaN und AlGaN (mit Indium-Nitrid und Alluminium-Nitrid mit Bandlücken von 0,7 eV und 6,2 eV) den Bereich von Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR) und somit den gesamten sichtbaren Spektralbereich abdecken könnte. Allerdings hängt zum Beispiel der Stark-Effekt von dem Halbleitermaterial ab, der die relative Verschiebung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons gegenüber dem Kern unter Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes beschreibt. Das daraufhin in Feldrichtung induzierte Dipolmoment hat eine Energieabsenkung und somit eine geringere Effizienz von LEDs zur Folge und da der Stark-Effekt signifikant zunimmt, je mehr Indium-Nitrid in den GaN-Halbleiter gewachsen wird, sind mit

Abbildung 8: schematische Struktur einer zylindrisch geformten LED [1]

Abbildung 9: Struktur einer GaP-basierten LED in Pyramiden-Form [1]

diesem Material „nur“ LEDs von UV bis grün zu realisieren. Grüne InGaN-LEDs sind dabei schon wesentlich ineffizienter als blaue und violette-LEDs.

Ein weiterer Vorteil von GaN, InN und AlN ist, dass sie Halbleiter mit einer direkten Bandlücke sind. Die erste blaue LED basierte hingegen auf Silizium-Carbid (SiC), was ein indirekter Halbleiter ist. Diese daher um ein vielfaches ineffizientere LED kam zwar schon in den 70ern auf den Markt, konnte sich aber aufgrund eben dieser geringen Effizienz nie wirklich durchsetzen.

3.2 Aufbau und Bandstruktur

Abbildung 10 zeigt einen typischen Aufbau einer GaN-LED. Abgeschieden auf ein Substrat wird dabei zunächst eine GaN-Schicht, die zur Überwindung der Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Saphir nötig ist. Auf dieser sehr verspannten Schicht befindet sich das n-dotierte GaN, auf dem sich auch der n-Kontakt befindet. Über dem n-dotierten Bereich befinden sich mehrere so genannte Quantenfilme, das heißt es befinden sich mehrere sehr dünne Schichten, abwechselnd aus InGaN und GaN, übereinander. In diesem Bereich findet auch die Rekombination der Ladungsträger statt. Darüber befindet sich noch eine AlGaN-Schicht, bevor das p-dotierte GaN kommt, auf dem sich der p-Kontakt befindet.

Abbildung 10: Aufbau einer GaN-LED

Sapphire Substrate

n-

p-

Warum dieser Aufbau so effizient ist, sieht man am besten beim Betrachten der Bandstruktur (siehe: Abbildung 11). Dabei befindet sich links der p- und rechts der n-dotierte Bereich. Dazwischen liegen die Quantenfilme, wobei die GaInN-Quantenfilme eine geringere Bandlücke haben als die GaN-Barrieren. Infolgedessen sammeln sich die Ladungsträger in diesen schmalen InGaN-Schichten, bei denen die geringe Dicke eine höhere Ladungsträgerdichte und somit eine höhere Anzahl von Rekombinationsprozessen unter Emission von Photonen bedingt. Die AlGaN-Schicht (links) dient mit ihrer wesentlich größeren Bandlücke als „Elektronenblocker“. Sie wird so dotiert, dass sie einerseits die Elektronen davon abhält, sich weiter Richtung p-Kontakt zu bewegen, andererseits hindert sie die Löcher nicht daran, in die InGaN-Schicht zu gelangen (siehe: Abbildung 11(b)).

3.3 Substrat und Defekte

Grundsätzlich kann GaN auf mehreren Substraten abgeschieden werden, beispielsweise SiC, Spinell ( MgAl2 O4 ) oder Saphir ( Al 2 O3 ). Auch wenn Saphir eine sehr hohe Gitterfehlanpassung von 16,1 % hat , wird es in der Praxis deshalb hauptsächlich verwendet, weil es wesentlich billiger ist, als beispielsweise Spinell. Außerdem kann die Transparenz bei grünem und blauem Licht für die Lichtauskopplung zum Vorteil genutzt werden (siehe: 3.4). Ein Nachteil neben der Gitterfehlanpassung ist allerdings, dass es ein Isolator ist. Deshalb ist man gezwungen, die in Abbildung 10 gezeigte typische „Treppenstruktur“ bei GaN-LEDs zu verwenden.

Das Abscheiden von GaN auf Fremdsubstraten bringt ein wesentliches Problem mit sich, nämlich eine hohe Anzahl an Defekten. Die Substrate haben neben ihrer unterschiedlichen Gitterkonstante außerdem noch einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu GaN, was dazu führt, dass der Halbleiter, nachdem er bei ca. 1000 °C aufgewachsen wurde, sich beim Abkühlen zusätzlich verspannt. Somit erreicht man heute bei GaN eine Defektdichte von gerade mal 107−108cm−2 , wohingegen bei den meisten anderen Halbleitern, beispielsweise AlGaInP, Defektdichten von 102−103 cm−2 erreicht werden. GaN-LEDs besitzen trotz ihrer hohen Defektdichten eine sehr gute Leuchteffizienz. LEDs aus anderen Halbleitern leuchten bereits bei mehreren 1000 Defekten pro cm2 kaum noch. Am vorteilhaftesten wäre natürlich das Verwenden von GaN-Substraten, was die Defektdichte um einige Größenordnungen verringern würde. Allerdings sind diese Substrate für die Massenproduktion von GaN-LEDs viel zu teuer und in solch großen Mengen kaum verfügbar, weshalb sie in der Praxis so gut wie keine Anwendung finden.

Abbildung 11: Schematische Bandstruktur von GaN/InGaN Quantenfilmen [1]

3.4 Flip Chip und Thin Film Flip Chip LEDs

Betrachtet man den Aufbau der LED, stellt sich die Frage, wie das Licht am effizientesten ausgekoppelt werden kann, da der p-Kontakt einen Teil der Oberfläche bedeckt, an dem kein Licht den Halbleiter verlassen kann. Eine Möglichkeit bietet dabei der Flip Chip (FC), bei dem der LED-Chip umgedreht wird, sodass die Kontakte unten liegen (siehe: Abbildung 12).

Der Vorteil der FC-LED besteht einerseits in einer hohen Auskoppeleffizienz, da die gesamte Oberfläche des Substrates zur Lichtauskopplung genutzt werden kann, wobei die Kontakte verspiegelt werden. Andererseits ermöglicht dieser Aufbau eine wesentlich bessere Wärmeableitung, die über die Kontakte erfolgt, denn Saphir ist nicht der beste Wärmeleiter.

Um die Auskoppeleffizienz darüber hinaus zu steigern, kann das Substrat wieder entfernt werden, wie man es beim Thin Film Flip Chip (TFFC) macht (siehe: Abbildung 13). Außerdem wird bei der TFFC-LED die Oberfläche des des GaN angeraut, was im Ergebnis eine deutlich bessere Lichtauskopplung bewirkt.

Ein weiterer Vorteil der FC- und TFFC-LEDs ist, dass keine Drähte mehr nötig sind, um die Kontakte zu verbinden, was zudem Platz spart um zum Beispiel eine Linse direkt darüber anzubringen.

Das Design der LED ist natürlich von der Anwendung abhängig. Für den normalen Gebrauch reicht

Abbildung 12: Flip Chip LED Design [2]

Abbildung 13: Thin Film Flip Chip Design [2]

das herkömmliche Design völlig aus (siehe: Abbildung 14 oben links). Nur wenn man möglichst effiziente LEDs benötigt, kommt man auf das Design der aufwendigeren und teureren „High Power LEDs“ zurück (siehe: Abbildung 14 rechts). Da diese LEDs in der Regel auch mit höheren Strömen betrieben werden, spielt beim Design die Wärmeabführung der größeren Verlustleistung eine wesentlich wichtigere Rolle. Die Lebensdauer von High Power LEDs beträgt im Vergleich zu herkömmlichen LEDs mit 100.000 Stunden eben aufgrund der höheren Ströme nur 15.000 bis 30.000 Stunden.

4. Weißlicht-LEDs:

Es gibt mehrere Methoden um Weißlicht-LEDs herzustellen und abgesehen von Weißlicht-LEDs aus organischen LEDs (OLEDs) benötigen alle Verfahren GaN-basierte LEDs, wobei es drei Möglichkeiten gibt: Luminescence Conversion (LUCO), Phosphor Down-Conversion und Color Mixing.

4.1 Luminescence Conversion

Dieses Verfahren basiert auf einer blauen GaN-LED, über der sich ein fluoreszierender Leuchtstoff befindet. Dieser Leuchtstoff absorbiert einen Teil des blauen Lichts und emittiert daraufhin gelbes Licht (siehe: Abbildung 15). Das blaue und gelbe Licht wird dann zusammen vom menschlichen Auge als weißes Licht wahrgenommen.

Abbildung 14: Aufgebaute LEDs im Gehäuse [2]

Abbildung 15: Aufbau einer LUCO-LED [1]

Abbildung 16 zeigt die Emissionsspektren der blauen LED (Peak bei ca. 450 nm), das wie bei allen LEDs ca. 20-50 nm breit ist, und des Leuchtstoffes, der ein breiteres Spektrum mit dem Maximum im Gelben emittiert. Diese Methode, Weißlicht-LEDs herzustellen wird fast immer verwendet, da sie am billigsten und am einfachsten ist. Ein kleiner Nachteil besteht allerdings darin, das die Farbe des Lichts geringfügig von der Betrachtungsrichtung abhängt, da durch eine dickere oder dünnere Phosphor-Schicht auch mehr bzw. weniger gelbes Licht emittiert wird. Die aktuellsten LEDs dieses Typs haben eine Auskoppeleffizienz von 90%, eine IQE von 40%, eine EQE von 36% und eine Leuchteffizienz von 61 lm/W.

4.2 Phosphor Down-Conversion

Der Aufbau dieser LEDs ist fast der selbe, wie bei den LUCO-LEDs. Der Unterschied besteht nur darin, dass hier mit einer ultravioletten GaN-LED eine Phosphor-Schicht angeregt wird, die ein breites Spektrum an Farben emittiert. Rot, grün und blau nimmt dann das Auge wieder als weiß wahr. Der Grund, warum diese Methode in der Praxis keine Anwendung findet, liegt in der geringen Effizienz der hier benötigten Leuchtstoffe.

4.3 Color Mixing

Dieses Verfahren basiert auf der Idee, weißes Licht direkt aus roten, grünen und blauen LEDs zu gewinnen. Dazu werden LEDs dieser Farben unter einer Schicht angebracht, die dazu dient, das Licht zu „mischen“. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das Licht dadurch beliebig mischbar ist, das heißt, dass man z.B. ein wärmeres Licht durch Erhöhung des Rot-Anteils erreichen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Farben, die man dadurch erhält wesentlich klarer und kräftiger wirken, als bei der Verwendung von Leuchtstoffen. Nachteilig wirken sich allerdings die vergleichsweise hohen Produktionskosten aus, da für eine Weißlicht-LED mehrere LEDs benötigt werden. Außerdem stellen die unterschiedlichen Effizienzen und Lebensdauern der LEDs ein Problem dar. Die grünen GaN-basierten LEDs sind nämlich am schwächsten, weshalb davon doppelt so viele benötigt werden wie von roten und blauen und die unterschiedlichen Lebensdauern bedingen ein regelmäßiges Abstimmen der LEDs. Trotzdem könnte dieses Verfahren in Zukunft immer mehr Anwendungen finden, da mit rot, grün und blau das gesamte Spektrum an sichtbaren Farben abgedeckt werden kann (siehe: Abbildung 17).

Abbildung 16: Typisches Spektrum einer LUCO-LED [1]

5. Zusammenfassung:

Eine LED basiert auf einem in Durchlassrichtung betriebenen p-n-Übergang, wobei die Effizienz durch Verwendung einer Doppel-Heterostruktur wesentlich erhöht werden kann. Die Herstellung der noch relativ neuen GaN-basierten LEDs ist zwar aufgrund des Aufwachsens auf einem Fremdsubstrat etwas schwieriger, was sich vor allem in der großen Defektdichte widerspiegelt, aber die hohe Effizienz wird dadurch kaum beeinträchtigt und man kann mit ihnen den Bereich von violett bis grün abdecken. Das wichtigste Anwendungsgebiet für GaN-LEDs sind allerdings Weißlicht-LEDs, bei denen entweder mit einer blauen LED und einem fluoreszierenden Leuchtstoff oder aber mit mehreren verschieden farbigen LEDs gearbeitet wird. Diese Weißlicht-LEDs könnten in Zukunft die Glühbirnen ersetzen, da sie wesentlich stromsparender sind und eine Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden besitzen.

Literatur:

- [1] E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes (Cambridge Univ. Press)

- www.LightEmittingDiodes.org

- [2] Philips Lumileds Lightning Company, IMAPS November 2007

- [3] www.efg2.com/lab

- [4] LED-Grundlagen (.pdf), apl. Prof. Dr. D. J. As

- [5] FE_SS07_Skript_Teil11 (.pdf)

Abbildung 17: Darstellung des Farbdreiecks [3]