GaN-basierte LEDs: Physikalische Grundlagen und Bauelemente

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 ......................................................................................................
2. Physikalische Grundlagen der LED ..............................................................
2.1. p-n-Übergang ........................................................................................
2.2. Diodenkennlinie ....................................................................................
2.3. Doppel-Heterostruktur ..........................................................................
2.4. Auskoppeleffizienz, interner und externer Quantenwirkungsgrad .......
3. GaN-basierte LEDs .......................................................................................
3.1. Geschichte .............................................................................................
3.2. Aufbau und Bandstruktur ......................................................................
3.3. Substrat und Defekte .............................................................................
3.4. Flip Chip und Thin Film Flip Chip LEDs .............................................
4. Weißlicht-LEDs .............................................................................................
4.1. Luminescence Conversion ....................................................................
4.2. Phosphor Down-Conversion .................................................................
4.3. Color Mixing .........................................................................................
5. Zusammenfassung .........................................................................................
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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.
Abbildung 1: Entwicklung der LEDs von 1960 bis 2000 [4]
2. Physikalische Grundlagen der LED:
2.1 p-n-Übergang
Abbildung 2: Bandstruktur eines p-n-Übergangs [5]
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.
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 pKontakt und negative am n-Kontakt.
Abbildung 3: p-n-Übergang unter Spannung in
Durchlassrichtung [5]
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
Abbildung 4: Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener
Halbleiter in Durchlassrichtung [1]
Wie die angelegte Spannung vom fließenden Strom bei Dioden abhängt, zeigt die StromSpannungs-Kennlinie (siehe: Abbildung 4). Zu Sehen ist dabei, dass der Strom ab einer bestimmten
Spannung (Schleusenspannung) erst exponentiell zunimmt und dann geradlinig ansteigt. Die
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).
Abbildung 5: Diodenkennlinie beeinflussende Widerstände [1]
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-OnVoltage („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 6: Diode mit Homostruktur (links) und Heterostruktur (rechts) in
Durchlassrichtung [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 Photonen
Anzahl der LED zugeführten Elektronen
Die Auskoppeleffizienz beschreibt den Anteil der erzeugten Photonen, die den Halbleiter auch
anschließend verlassen:
Anzahl aus HL emittierte Photonen
Anzahl erzeugter Photonen
Zuletzt beschreibt der EQE den Anteil des Diodenstroms, der aus dem Halbleiter emittierte
Photonen erzeugt:
Anzahl aus HL emittierte Photonen
Anzahl 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).
Abbildung 7: kritischer Winkel an Grenzfläche [1]
Dieser kritische Winkel für die Totalreflexion an Grenzflächen ergibt sich aus den Brechungsindizes
des Halbleiters ( n 1 ) und des an ihn angrenzenden Materials ( n 2 ):
n2
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.
C =arcsin
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.
Abbildung 8: schematische Struktur
einer zylindrisch geformten LED [1]
Abbildung 9: Struktur einer GaPbasierten LED in Pyramiden-Form [1]
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 pdotieren. 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
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
p-
n-
Sapphire Substrate
Abbildung 10: Aufbau einer GaN-LED
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 11: Schematische Bandstruktur von GaN/InGaN
Quantenfilmen [1]
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 InGaNSchichten, 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
( MgAl 2 O 4 ) 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 107−10 8 cm −2 , wohingegen bei den meisten anderen Halbleitern, beispielsweise AlGaInP,
Defektdichten von 102−10 3 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 cm 2 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.
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 LEDChip umgedreht wird, sodass die Kontakte unten liegen (siehe: Abbildung 12).
Abbildung 12: Flip Chip LED Design [2]
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.
Abbildung 13: Thin Film Flip Chip Design [2]
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
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.
Abbildung 14: Aufgebaute LEDs im Gehäuse [2]
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
Abbildung 15: Aufbau einer LUCO-LED [1]
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 16: Typisches Spektrum 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 17: Darstellung des Farbdreiecks [3]
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)