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Entwicklung der Halbleiterlichtemitter

Entwicklung der Effizienz der Leuchtdioden
Das Diagramm zeigt die Entwicklung des Wirkungsgrades (lm/W) der LED über die Zeit. Einfach gesagt hat sich jedes Jahrzehnt seit der Einführung der LED ihre Effizienz verzehnfacht.

Kommerziell wurden 1962 die ersten roten GaAsP Lumineszenzdioden von General Electric angeboten. Grob gesagt konnte danach jedes Jahrzehnt die Effektivität um das Zehnfache erhöht werden.

Isoelektronisches Dotieren von GaP und GaAsP mit Stickstoff führten zu einer solchen Erhöhung der Effektivität und machten 1971 zusätzlich grüne, orangene und gelbe LED verfügbar. Ein weiterer großer Sprung war mit der Entwicklung hocheffektiver roter AlGaAs Dioden in den frühen 80er Jahren getan. Diese Lumineszenzdioden waren die ersten, die farbig gefilterte Glühlampen in der Effektivität übertrafen und diese in bestimmten Gebieten (Signalleuchten und Anzeigentafeln) zu ersetzen begannen. Anfang der 90er Jahre führten die AlInGaP LED zu einer bedeutenden Steigerung im rotorangen bis gelben und grünen Spektralbereich. Eine weitere zweifache Steigerung der Lichtausbeute erreichte Hewlett Packard (jetzt Avago) 1994 durch das Ersetzen des GaAs-Substrates, auf die lichtemittierenden pn-Schichten aufgebracht werden, durch ein transparentes GaP-Substrat.

Diese „Transparentes Substrat Dioden“ (TS-AlInGaP) sind mit ca. 40 lm/W die effektivsten heute (2000) verfügbaren Lumineszenzdioden.

Hocheffektive blaue LED waren bis vor wenigen Jahren nicht verfügbar, obwohl schon lange an ihnen geforscht wird. Die Ende der Achtziger eingeführten SiC-Dioden sind in einigen Gebieten sinnvoll einzusetzen, sie haben jedoch eine sehr geringe Effektivität. Ende 1993 wurden von Shuji Nakamura bei Nichia Chemical im blauen und grünen Spektrum emittierende InGaN-Dioden mit einer um ein Vielfaches höheren Effektivität vorgestellt. Die Effektivität dieser InGaN-Dioden hat sich seither ständig erhöht. Noch sind sie aber relativ teuer, dassdie Substratmaterialien schwieriger herstellbar sind bzw. neue Verfahren angewendet werden müssen, um die Epitaxieschicht aufzubringen.

Hocheffektive Lumineszenzdioden decken heute den gesamten Spektralbereich ab. Es werden neue Einsatzgebiete erschlossen, und in verschiedenen Bereichen können andere Lichtquellen durch LED ersetzt werden.

LED Geschichte

Das Phänomen der Lichterzeugung durch elektrische Anregung eines Festkörpers wurde erstmals im Jahre 1907 von H.J. Round unter dem Kontakt an einem Siliziumkarbid-Kristall (SiC), der zur Detektion von Radiowellen bestimmt war, entdeckt. Dabei wurde bereits erkannt, dass es sich um kaltes Licht handelte, denn die Emission erfolgte ohne erkennbare Erwärmung des Kristalls. Diese Beobachtung wurde zunächst nicht beachtet, dasssich die mit SiC beschäftigten Forscher in dieser Zeit nur für Radiodetektoren interessierten. Erst 1921 entdeckte O.V. Lossew diese Lichtemission wieder. Lossew untersuchte das Phänomen in den Jahren 1927 und 1942 genauer, dass er die neuartige Lichtquelle mit einem Drehspiegel modulieren konnte und sie daher für die Nachrichtenübertragung einsetzen wollte.

1935 wurde von G. Destriau an Zinksulfid (ZnS) ein ähnlicher Leuchteffekt entdeckt und von ihm als Lossew-Licht bezeichnet.

Es dauerte lange, bis sich Lossews Beobachtung in das theoretische Schema des Festkörperwissens einordnen ließ. Erst 1951 konnte die Lichtemission befriedigend erklärt werden. Hierzu war der ganze mit der Entdeckung und Entwicklung des Transistors eingeleitete wissenschaftliche Fortschritt in der Halbleiterphysik notwendig. Nun setzte von 1952 bis 1961 zuerst die Erforschung und Weiterentwicklung des Destriau-Effektes ein, womit man unter Verwendung von ZnS-Pulverphosphoren flache Bildschirme erzielen wollte, um die Kathodenstrahlröhre zu ersetzen.

Während der entsprechende Erfolg mit ZnS ausblieb, brachten die 1952 als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungen den erhofften Durchbruch. Diese Materialien entstehen aus den Elementhalbleitern, die mit drei- und fünfwertigen Elementen dotiert werden. Etwa 1957 begann man mit intensiven grundsätzlichen Untersuchungen der Lichterzeugung mit den neuen Halbleitern und mit der Entwicklung einer geeigneten Technologie zur Herstellung von Kristallen und Bauelementen. Von besonderer Bedeutung war die Lichtemission im Sichtbaren auf der Basis eines direkten Mischkristalls aus Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP), die 1962 berichtet wurde. Mit dieser Arbeit kam nämlich endlich – 55 Jahre nach der ersten Entdeckung von H.J. Round – die LED-Entwicklung voll in Gang.

Die Entwicklung der Lumineszenzdioden ist noch voll in Gange. Es wird eine Steigerung der Lichtausbeute auf bis zu 300 lm/W angestrebt, damit wäre die LED mit all ihren Vorteilen die effizienteste Lichtquelle überhaupt.

Texas Instruments 1976
 
© Hauke Haller 2000-2009