Signifikant höhere Lichtausbeute

Bild 1: Die typische Vorwärtsspannung bei grünen LEDs konnte drastisch gesenkt werden. Osram

Bild 2: Illustration der Verringerung der Vorwärtsspannung: Durch die Verbesserung sind nun Spannungen knapp oberhalb der theoretischen Minimalspannung erreicht worden, wie dies für blaue LEDs schon der Fall ist. Die theoretisch realisierbaren Werte sind in orange gezeigt und werden durch die Bandlücke von InGaN („band gap voltage“) limitiert. Osram

Das sogenannte Green-Gap-Phänomen bei grünen LED sorgt für einen Abfall der Lichtausbeute und war damit der Grund für Effizienzprobleme und hohe Kosten in Kundenanwendungen. Durch den Entwicklungsfortschritt bei Osram Opto Semiconductors ergeben sich nun besonders für Anwendungen, in denen rote, blaue und grüne LEDs kombiniert eingesetzt werden, große Vorteile. Aber auch Anwendungen, in denen nur grüne LEDs zum Einsatz kommen, profitieren von dieser Entwicklung. Eine erheblich längere Batterielaufzeit ist gerade bei Wearables von großem Vorteil. Entscheidende Faktoren auf dem Weg zur Effizienzsteigerung waren ein verbesserter Ladungsträgertransport sowie eine optimierte Materialqualität in den epitaktischen Schichten.

Technische Herausforderung

InGaN-basierte LEDs leiden unter einem Verlust der Effizienz, wenn ihre Farbe von blau nach grün geändert, beziehungsweise ihre Wellenlänge entsprechend erhöht wird. Gleichermaßen verlieren LEDs auf Basis von Aluminium-Indium-Gallium-Phosphor ebenfalls stark an Effizienz, wenn deren Wellenlänge vom roten in den grünen Spektralbereich verschoben wird. Dieser Vorgang ist in der Fachwelt als „Green-Gap-Phänomen“ bekannt und stellt seit Jahren eine Herausforderung für Entwickler dar. Aber was verursacht diesen Effizienzverlust?

Einerseits verringert sich die interne Quanteneffizienz aufgrund der notwendigen Änderungen der Materialzusammensetzung der leuchtenden Schichten in der LED. Diese Schichten, sogenannte Quantentröge (englisch: quantum wells), wandeln einen erhöhten Teil des elektrischen Stroms in Wärme statt in Licht um, wenn ihr Indium-Anteil für die Erhöhung der Wellenlänge gesteigert wird. Dieses Phänomen ist intrinsischer Natur und in gewissen Grenzen nicht zu beeinflussen.

Darüber hinaus war es bisher nicht möglich, die auffällig hohen Vorwärtsspannungen von grünen LEDs zu senken. Grund für diese hohen Werte: Typische grüne LEDs hatten bisher eine Vorwärtsspannung, welche weit über dem theoretisch erreichbaren Wert der Bandlücke der leuchtenden Schichten liegt. Die Bandlücke von grün emittierenden Quantentrögen liegt bei zirka 2,3 eV (Elektronenvolt). Dennoch benötigte man bisher rund 3,2 V und mehr, um grüne Leuchtdioden bei anwendungstypischen Stromdichten zu betreiben. Dies ergibt eine Differenz von bis zu einem Volt zu der theoretisch erreichbaren Vorwärtsspannung.

Hauptgrund dafür war eine bisher unzureichende Verteilung der Ladungsträger über die verschiedenen leuchtenden Schichten in der LED. An dieser Stelle haben die Ingenieure bei Osram Opto Semiconductors den Hebel für Verbesserungsmaßnahmen angesetzt.

Niedrigster Wert für direkt emittierende grüne LEDs

Dem Regensburger Entwicklungsteam gelang es, einige dieser Limitierungen zu lösen. Die Vorwärtsspannung konnte bei einer Stromdichte von 45 A/cm² von 3,2 auf 2,6 V abgesenkt werden (Bild 2). Damit konnten die bisher weltweit niedrigsten Werte für direkt emittierende grüne LEDs realisiert werden. Dies wurde mithilfe einer Verbesserung des Ladungsträgertransports durch den leuchtenden Bereich der Halbleiterschichten erreicht. Durch die Reduktion der Vorwärtsspannung konnte die Effizienz um bis zu 40 % gesteigert werden – ein absoluter Meilenstein für die Entwicklung grüner LEDs.

Bild 3: Effizienz und Lichtstrom gegen elektrischen Strom I einer grünen UX:3-basierten LED mit Kantenlänge 1 mm und Wellenlänge 530 nm. Osram

Gleichzeitig konnten die Entwickler die Lichtausbeute bei fixiertem Strom signifikant erhöhen. Ein im Vergleich um 12 % erhöhter Lichtstrom bei einer Stromdichte von 45 A/cm² ist ein weiterer Höhepunkt in der Weiterentwicklung grüner LEDs. Auch die nun erreichten absoluten Licht-Ausgangsleistungen mit Werten über 300 lm bei 1 A Pumpstrom eröffnen Kunden neue Anwendungsmöglichkeiten (Bild 3).

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Bild 4: Neue Anwendungsfelder in Fitnesstrackern und Smartwatches. Osram

Zusammengenommen entspricht die Weiterentwicklung einem Effizienzgewinn von 40 % für das gesamte grüne UX:3-Portfolio von Osram. Bei 350 mA erreichen 1 mm²-UX:3-Chips mit der neuen Technologie Effizienz-Werte jenseits von 175 lm/W bei Wellenlängen um 530 nm. Noch größere Effizienzgewinne sind bei kleinen Stromdichten zu verzeichnen (Bild 3). Bezogen auf 1 mm²-UX:3-Chips sind bei Strömen um 40 mA, Effizienz-Werte von über 300 lm/W realisierbar.

Mit diesen Ergebnissen ist ein Vorstoß in völlig neue Effizienzbereiche möglich, die bisher nur mit phosphorkonvertierten Emittern und signifikant reduzierter spektraler Güte erreichbar waren. Dies macht die Adaptierung der Technologie attraktiv für viele zusätzliche Anwendungsfelder.

Anwendungsfelder

Die Effizienzsteigerung um 40 % bei aktuellen Nennstromdichten erlaubt beispielsweise erheblich längere Batterielaufzeiten bei mobilen Geräten. Grüne Leuchtdioden werden unter anderem in Fitnesstrackern und Smartwatches verwendet, um biometrische Informationen wie den Pulsschlag aufzuzeichnen (Bild 4). Es gibt zudem bereits weiterführende Forschungen für neue Anwendungsmöglichkeiten: Die Universität Stanford untersucht in einer großangelegten Studie die Erkennung von Herzkrankheiten mit Hilfe der Pulsmessung durch grüne LEDs.

Besonders für Anwendungen, in denen rote, blaue und grüne (RBG) LEDs kombiniert eingesetzt werden, ergeben sich durch die neuesten technologischen Errungenschaften wie bereits erwähnt große Vorteile. Da nun alle drei Farben eine Spannung von unter 3 V aufweisen, können die bisher auf höhere maximale Spannungen ausgelegten Treiber geringer dimensioniert werden. Das verringert nicht nur die sogenannte dissipative Verlustleistung und sorgt für eine gewisse Kostenreduktion sondern erleichtert Kunden durch die Platzersparnis gleichzeitig das Design künftiger Produkte. Beispielsweise werden solche RBG-Lösungen vermehrt in Videowänden (englisch „videowalls“) eingesetzt.
Aktuell arbeiten die Entwickler bereits an weiteren Verbesserungen, deren Potenziale die jüngsten Erkenntnisse sichtbar gemacht haben.

(ah)