LEDs aus Nitrid-Halbleitern Das Geheimnis hinter dem reinen Rot

Diese MOCVD-Anlage ist die Schlüsseltechnologie, mit der die Herstellung heller roter LEDs an der KAUST gelungen.
Diese MOCVD-Anlage ist die Schlüsseltechnologie, mit der die Herstellung heller roter LEDs an der KAUST gelungen.

Rein rote LEDs aus Nitridkristallen sind für energieeffiziente Mikro-LED-Displays und für Beleuchtung mit Farbwechsel entscheidend. Solche LEDs herzustellen, war bislang aber schwierig. Nun ist es Ingenieuren an der KAUST zum ersten Mal gelungen, diese roten LEDs herzustellen.

Helle LEDs aus verschiedenen Materialien herzustellen, um verschiedene Farben zu erzeugen, ist heutzutage kein Problem. Um die Display-Technologien zu verbessern, müssen jedoch die drei primären Farb-LEDs (rot, grün und blau) auf einem Chip integriert werden. »Das bedeutet, dass Ingenieure ein Material finden müssen, das für die Herstellung aller drei Farben geeignet ist. Das Material sollte in der Lage sein, jede Farbe mit hoher Intensität zu erzeugen, und idealerweise sollte es eine hohe Ausgangsleistung haben, aber relativ wenig Batteriespannung verbrauchen«, erklärt Daisuke Iida, Elektroingenieur an der King Abdullah Abdullah University of Science and Technology (KAUST).

Die besten Kandidaten, um alle drei Farben zu  erzeugen, stellen Verbindungen dar, die als Nitrid-Halbleiter bezeichnet werden. Das sind stickstoffhaltige Kristalle, die sich theoretisch dazu eignen, LEDs zu fertigen, die Licht mit Wellenlängen zwischen Ultraviolett und Infrarot erzeugen können. Ingenieure nutzen Galliumnitrid normalerweise zur Herstellung blauer und grüner LEDs, aber sie haben sich bisher schwer getan, mit diesem Kristall helle rote LEDs herzustellen. Mit dem an der KAUST neu entwickelten Kristallwachstumssystem ist es jetzt aber möglich, rein rote LEDs zu realisieren.

Das Problem mit dem Indium

Das gewünschte Rot erhält man, indem man einen großen Teil des Galliums durch das Element Indium ersetzt. Dies ist aber schwierig, weil Indium leicht aus dem Kristall verdampft. Also baute das Team um Iida einen Reaktor mit zusätzlichem Indiumdampf über der Oberfläche des Kristalls – ein Prozess, der als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (englisch: metal-organic chemical vapour deposition, MOCVD) bekannt ist. Dieser zusätzliche Druck verhindert, dass das Indium im Kristall entweichen kann. Dadurch ist eine höhere Indiumkonzentration an der Oberfläche möglich.

Aber es gab noch eine weitere Hürde zu überwinden: Da Indium aus größeren Atomen als Gallium besteht, erzeugt es beim Einführen Defekte im Kristall, die die Qualität des ausgegebenen Lichts verschlechtern. Der Trick des Teams bestand darin, auch Aluminium hinzuzufügen, das kleine Atome enthält. »Die Einführung der kleinen Atome verringert die Belastung des Kristalls, was zu weniger Kristalldefekten führt«, so Iida. Ein weiterer Vorteil ist, dass die LEDs mit etwa der Hälfte der Spannung ihrer herkömmlichen Konkurrenten arbeiten, was zu einer längeren Lebensdauer von Batterien führt.