Blaue Leuchtdiode erstrahlt mit bisher unerreichter Effizienz

Leuchtdioden wandeln elektrischen Strom viel effizienter in Licht um als alle Glühlampen. Auch bei der Helligkeit stellen weiße Leuchtdioden (LED) mit über 1000 Lumen bereits Halogenlampen in den Schatten. Amerikanische Forscher konnten nun die Lichtausbeute noch weiter steigern.

Santa Barbara (USA) - Wie sie im Fachblatt "physica status solidi -- rapid research letters" berichten, konnten ihre Prototypen Effizienzen von deutlich über 40 Prozent erreichen.

Die ersten Leuchtdioden auf der Basis von Galliumnitrid sendeten blaues Licht mit einer Wellenlänge von etwa 402 Nanometern aus. Bei einer Ausgangsleistung von 28 Milliwatt betrug die externe Quantenausbeute -- so der Fachbegriff für die Effizienz -- 45,4 Prozent. "Nach unserem Wissen sind diese Werte die höchsten, von denen bei einer LED jemals berichtet wurde", schreiben Kwang-Choong Kim und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara.

Um diesen Rekordwert zu erreichen, mussten wenige Nanometer dünne Schichten des Halbleiterwerkstoffs in speziellen Nanostrukturen, so genannten Quantum wells, angeordnet werden. Dabei lösten sie ein Problem, dass bisher höhere Lichtausbeuten verhinderte. Denn Polarisationseffekte trennten bisher viele freie Ladungsträger, Elektronen und Elektronenlöcher, so weit voneinander, dass sie sich nicht wieder vereinen und dabei Licht aussenden konnten. Mit den neuen, unpolaren Strukturen aus Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Galliumnitrid (GaN), konnten die Wissenschaftler diese störende Polarisation vermeiden. Deutlich mehr Ladungsträger fanden zueinander und konnten daher für die Lichterzeugung genutzt werden.

"Die erreichte Quantenausbeute ist eindeutig ein bemerkenswertes Resultat", beurteilen Ulrich T. Schwarz von der Universität Regensburg und Michael Kneissl von der Technischen Universität Berlin diese viel versprechenden Ergebnisse. Sie demonstrieren das Potenzial von Polarisations-reduzierten InGaN-Leuchtdioden für eine hoch effiziente Lichterzeugung. Doch bevor diese LED mit unpolaren Verbindungshalbleitern zu noch helleren Lichtquellen mit geringerem Stromverbrauch führen, müssen noch weitere Hürden überwunden werden. Schwarz und Kneissl sehen eine der größten Herausforderungen in der Entwicklung von großen Flächen und kostengünstigen unpolaren und semi-polaren GaN Strukturen. Zudem müsse die Lebensdauer dieser neuen LEDs exakt überprüft werden.

Wegen der derzeit hohen Kosten für die unpolaren und semi-polaren GaN-Substrate werden erste Anwendungen nicht zu blauen und weißen Leuchtdioden, sondern zu Laserdioden führen. Diese könnten dann die Grundlage für winzige Projektoren in Handys oder für hochauflösende Heimkino-Projektoren bilden.