Leuchtende Halbleiter

Wer erinnert sich nicht noch an die ersten Armbanduhren mit Ziffernbeleuchtung oder Anzeigeelementen mittels roter Leuchtdioden. Etwa 1962 wurden die ersten roten GaAsP (Galliumarsenidphosphor), Luminiszensdioden von General Electric angeboten.

Wer erinnert sich nicht noch an die ersten Armbanduhren mit Ziffernbeleuchtung oder Anzeigeelementen mittels roter Leuchtdioden. Etwa 1962 wurden die ersten roten GaAsP (Galliumarsenidphosphor), Luminiszensdioden von General Electric angeboten.

Vorreiter war die Firma General Electric. Aber auch andere US Firmen setzten sich auf diese Fährte und entwickelten Leuchtdioden mit immer höherer Effektivität, so dass diese in jedem Jahrzehnt um das etwa zehnfache erhöht werden konnte. Zu den effektivsten verfügbaren Lumineszensdioden gehören heute LEDs mit AlInGaP Chips (AluminiumIndiumGalliumPhosphid Chips) die Lichströme von 40 lm/Watt und mehr bieten. Die verfügbaren Farben waren vornehmlich rot, gelb, orange, die in radialen Bauelementen, die in der Größe 3 und vornehmlich 5 mm Ø angeboten wurden. Dem Wunsch nach blauen Leuchtdioden haben dann vornehmlich Cree/USA und Nichia mit Leuchtdioden im blauen und grünen Spektrum emittierenden IndiumGalliumNitrid (InGaN Dioden) entsprochen, deren Effektivität rasch gesteigert werden konnte. Erinnert sei nur an die Forderung von VW, die Instrumenten-beleuchtung mit blauen Leuchtdioden auszustatten, was dem Markt für blaue Leuchtdioden, die damals noch relativ teuer waren, einen extremen Schub nach vorne gegeben hat und die Preise schlagartig senkte. Da die Substratmateralien schwieriger herstellbar sind, bzw. neue Verfahren angewandt werden mussten, um die Expitaxieschicht aufzubringen, sind diese Leuchtdioden bis heute noch in einem verhältnismässig höheren Preisbereich im Vergleich zu rot und gelb anzusiedeln. Die heute erhältlichen LEDs decken mittlerweise den gesamten sichtbaren Spektralbereich ab und schicken sich an, in vielen Bereichen andere Lichtquellen zu ersetzen.

Leuchtdioden sind je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut:

  • AluminiumGalliumArsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
  • GalliumAluminiumArsenid (GaAlAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
  • GalliumArsenidPhosphid (GaAsP) – rot, orange und gelb
  • AluminiumIndiumGalliumPhosphid (AlInGaP) – rot, orange, gelb und grün
  • GalliumPhosphid (GaP) – grün
  • Siliciumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
  • Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) – UV, blau, grün und weiß mit Phosphor

Auf Grund der schwächeren Leistung werden bei den heutigen Applikationen GaP, GaAsP, AlGaAs/GaAlAs (im sichtbaren Bereich) kaum noch eingesetzt.

Mit dem Aufkommen der SMD-Technologie bestand auch der Wunsch nach der Verfügbarkeit von Oberflächen montierbaren Leuchtdioden. Die ersten Leuchtdioden wurden Mitte der 80er Jahre als erste von Citizen und dann in rascher Folge von anderen großen LED Herstellern auf den Markt gebracht. Übliche Baugrößen waren damals 1200 und 0805, so dass nach kurzer Zeit auch Leuchtdioden in der Bauform 0603 zur Verfügung standen.

Durch die weltweit immens hohe Produktion der AlInGaP Chips ist bei LEDs, die mit diesen Chips ausgestattet sind, ein starker Preisverfall zu beobachten. SMD-Standardprodukte werden heute schon teilweise zu einem Preis unter 0,02 Euro/Stück angeboten.

Dieser Abwärtstrend des Preises ist aber auch bei InGaN LEDs, einschließlich der Farbe „weiß“ zu beobachten. Wo wir vor drei Jahren noch im Bereich 10-12 Cent waren, sind heute 7 Cent die Normalität. Da der Stückpreis bei blau in Billigapplikationen schon bei 5 Cent und darunter liegt, ist dieser Preis auch bei weißen SMD-LEDs, allerdings ohne spezielle Selektion, in naher Zukunft zu erwarten. Die Forderung nach der Farbe „weiß“ konnte anfangs nur mit drei Chip Lösungen (RGB) erfüllt werden, was die Bauelemente natürlich teurer werden ließ.

Bahnbrechende Entwicklungen kamen dann Mitte der 90er Jahre von der Firma Nichia, die auf Basis eines blauen Chips einen Epoxy-Überzug über dem blauen Chip anbrachten, der Phosphorkristalle enthielt und damit eine Lichtkonvertierung in Richtung weißes Licht erzielen konnte. Parallel zu der Entwicklung immer leuchtstärkeren blauen Chips ging damit auch die Erzeugung weiß leuchtender LEDs und damit dem Wunsch nach Erzeugung natürlichen Lichtes. Neben Nicia war es vor allem die Firma Osram, die diese Entwicklung weißer leuchtstarker LEDs mit aller Kraft vorangetrieben hat, so dass sie neben Nicia zu Marktführer weißer LEDs herangewachsen sind.