Schwerpunkte

UV-Lichtquellen

Halbleiter statt Quecksilber

21. Januar 2021, 09:00 Uhr   |  Helmuth Lemme

Halbleiter statt Quecksilber
© Shutterstock

Ultraviolettstrahlung lässt sich für viele Zwecke nutzen. Bei den Quellen bekommen die konventionellen Gasentladungslampen zunehmend Konkurrenz durch LEDs. Die Weiterentwicklung schreitet schnell voran, »Made in Germany« liegt gut im Rennen.

UV-Licht ist aus wissenschaftlicher Forschung, industrieller Produktion und Medizin nicht mehr wegzudenken. Eine Auswahl relevanter Anwendungen ist im Textkasten zusammengestellt. Die wichtigsten UV-Lichtquellen sind die Quecksilber-dampflampen in verschiedenen Ausführungen. Sie liefern ein diskretes Spektrum mit rund zwanzig Einzellinien bis herab zu 185 nm. Bei allen günstigen Eigenschaften haben sie allerdings einige Nachteile: Ihre Bauform ist für viele Zwecke zu groß und die Betriebsspannung und die Leistungsaufnahme sind relativ hoch. Im Falle eines Bruchs gelangt giftiges Quecksilber in die Umgebung. Das Spektrum ist fest vorgegeben. Will man nur einzelne Linien nutzen, erfordert das hohen Filteraufwand.

Mittlerweile sind LEDs aus III-V-Halbleitern in vielen Fällen günstiger. Bekannt sind sie schon lange; die erste hatte der japanische Nobelpreisträger Isamu Akasaki bereits 1992 entwickelt. Kommerziell verfügbare kamen zunächst nur langsam auf [1], die wesentlichen technischen Fortschritte wurden erst während der vergangenen paar Jahre erzielt. Sie gelten als kompakte, stabile und robuste UV-Lichtquelle, die Produktentwicklern mehr Designfreiheiten bietet und stellen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads auch die langfristig wirtschaftlichere Lösung dar. Weitere Vorteile sind:

➔ Emissionsspektrum über die Materialzusammensetzung gezielt einstellbar und an die jeweilige Anwendung anpassbar.
➔ Emission schmalbandig, Halbwertsbreite etwa 10 nm, keine Nebenpeaks niedrige  Betriebsspannung (ca. 6 – 9 V).
➔Einsatz in batteriebetriebenen Geräten möglich kurze Pulse bis herab in den ns-Bereich möglich, dimmbar 0 – 100 %.
➔ räumliche Abstrahlcharakteristik formbar, fein fokussierbar ungiftig, keine toxischen Schwermetalle.
➔ keine Ozonerzeugung.
➔ lange Lebensdauer.
➔ keine Vorwärmzeit.
➔ keine Wärmestrahlung in Emissionsrichtung.

All das eröffnet viele neue Anwendungsgebiete, die vorher prinzipiell nicht denkbar waren. Was ihrer Nutzung bisher noch entgegensteht, sind die relativ hohen Kosten, weil sie immer noch weitgehend in ihrer Anfangsphase stehen. Die Quecksilberdampflampen sind dagegen ausgereift und preiswert. Doch die technische Weiterentwicklung der UV-LEDs schreitet schnell voran. Effizienz und Ausgangsleistung steigen und die Kosten werden noch wesentlich sinken.

Hohe Effizienz erfordert bei UV-LEDs einen sehr komplexen Schichtaufbau
© M. Kneissl, TU Berlin

Bild 1. Hohe Effizienz erfordert bei UV-LEDs einen sehr komplexen Schichtaufbau.

Je kurzwelliger die Strahlung, umso niedriger ist die erzielbare Ausgangsleistung und umso komplexer wird die Struktur aus den vielen verschiedenen Schichten (Bild 1). So sind die LEDs für die Bereiche UV-B (315 – 280 nm) und UV-C (280 – 200 nm) denen für UV-A (400 – 315 nm) noch unterlegen. Hier besteht weiterhin hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Für Vakuum-UV (200 – 100 nm) und Extrem-UV (<100 nm) sind in absehbarer Zeit überhaupt noch keine in Sicht, weil es kein geeignetes Halbleitermaterial mit entsprechend hohem Bandabstand gibt.

Forschung im Verbund

Weltweit sind viele Institute und Firmen auf diesem Gebiet aktiv. Die führende deutsche Forschung sitzt großteils in Berlin: zum einen beim Lehrstuhl für Experimentelle Nanophysik und Photonik am Institut für Festkörperphysik derTU Berlin unter Prof. Dr. Michael Kneissl, zum anderen beim Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik. Da sich beide nicht mit Serienproduktion befassen, haben einige Mitarbeiter dazu 2015 die junge Firma UV Photonics NT ausgegründet. Weiter entfernt in Regensburg arbeiten die Forscher bei Osram Opto Semiconductors (OOS) intensiv an dieser Technik. Alle kooperieren im Konsortium »Advanced UV for Life«, das auf der Webseite reichhaltig Informationen zur Verfügung stellt, insbesondere die auch in Papierform erhältliche 120-seitige Broschüre »UV-LEDs für neue Anwendungen«.

Der Startschuss fiel 2013 mit 23 Partnern. Inzwischen sind es über 50, etwa ein Drittel Hochschul- und Forschungsinstitute und zwei Drittel Firmen. Die meisten davon sind in den neuen Bundesländern angesiedelt. Bis 2021 sind 45 Mio. Euro Fördermittel eingeplant. Wäre die Corona-Pandemie nicht gewesen, wäre im Frühjahr 2020 mit dem ICULTA (International Conference on UV LED Technologies & Applications) ein eigener Kongress über UV-LEDs angelaufen. Nun wird er vom 19. bis 20. April 2021 als digitales Event veranstaltet.

»Advanced UV for Life« ist ein Teil des mit 500 Mio. € dotierten BMBF-Förderprogramms »Zwanzig20«, das zum Ziel hat, die in Ostdeutschland vorhandenen herausragenden wissenschaftlichen Kompetenzen durch überregionale und interdisziplinäre Kooperationen systematisch für die Zukunft auszubauen und sich national und international strategisch zu vernetzen. In dem vom BMBF geförderten Projekt »UV Power« kooperieren fünf Partner: Osram Opto Semiconductor (Koordination), FBH, TU Berlin, Lay-Tec und UV Photonics NT. Ziel sind Hochleistungs-UV-LEDs für UV-B und UV-C.

 Angestrebte Ausgangsleistung von UV-LEDs nach Emissionsspektrum
© Osram

Tabelle 1. Angestrebte Ausgangsleistung von UV-LEDs nach Emissionsspektrum.

Die Arbeiten sind nach Wellenlängenbereichen aufgeteilt:
OOS 270 – 290 nm, FBH 290 – 310 nm, TU Berlin 250 – 270 nm. Lay-Tec arbeitet an der Epitaxie und dem Plasma­ätzen, UV Photonics ist die Schnittstelle zum Anwender mit Blick auf die ganze Wertschöpfungskette. Die angestrebten Ausgangsleistungen hängen vom Wellenlängenbereich ab (Tabelle 1). Für die Verlängerung der Lebensdauer müssen die Alterungseffekte verstanden werden. Dafür werden eigene Arbeitsgruppen eingerichtet und ausgestattet.

Das vom bayerischen Wirtschaftsministerium geförderte Verbundprojekt UNIQUE zielt speziell auf umweltfreund­­liche Desinfektion mit UV-C im Wellenlängenbereich von 260 – 280 nm ab, um aggressive Chemie und Quecksilberlampen abzulösen. Diese Strahlung zerstört jede DNA. Resistenzen sind bisher keine bekannt. OOS stellt den Chip her, Aprotec die AlN-Kristalle, Fraunhofer IISB die Substrate, Schott gasdichte Vakuumgehäuse. International sind viele weitere Hersteller aktiv: in den USA z. B. Opto Diode, in Fernost Nichia, LG Innotek, Ushio, Nikkiso, Seoul Viosys und andere.

Komplizierte Herstellung

Das verwendete Materialsystem ist Aluminium-Gallium-Nitrid. Aluminiumnitrid in Reinform hat von allen bekannten Halbleitern die größte Bandlücke mit 6,2 eV. Damit sind im Prinzip Wellenlängen bis herab zu etwa 200 nm möglich. Die praktischen Ausführungen solcher LEDs bestehen aus zahl­losen verschiedenen Heterostrukturschichten, viele nur wenige Atomlagen dünn, zum Teil auch mit Indium-Zusatz, die aus der Gasphase mittels MOCVD auf einem UV-durchlässigen Substrat (z. B. Saphir oder Galliumnitrid) abgeschieden werden. Die Wafergrößen sind 2, 3 oder 4 Zoll, die Chips messen typisch 1 x 1 mm2.

 UV-LED im TO-Metallgehäuse (links) und im SMDGehäuse (rechts)
© FBH

Bild 2. UV-LED im TO-Metallgehäuse.

Die Abstrahlung erfolgt nach unten durch das Substrat. Dieses wird dann in Flip-Chip-Montage auf einen Wärmeableiter gesetzt. Eine Überhitzung der Schichten muss unbedingt verhindert werden, sonst leidet die Lebensdauer. Die Ausführungsformen sind teils nackte, teils auf Träger montierte, teils in Gehäuse eingebaute Chips (Bild 2). Neben Standardtypen werden viele kundenspezifische gefertigt.

Ein weiteres Ziel der Forschungsarbeiten sind UV-Laser­dioden. Gegenüber den LEDs liegen sie noch weit zurück. Es gibt einige im violetten und Nah-UV-Bereich (390 – 430 nm), Ausgangsleistung und Wirkungsgrad sind aber noch lange nicht zufriedenstellend. Labormuster kommen bis unter 250 nm.

Bedarf für UV-Lichtquellen

➔ Belichten von fotoempfindlichen Lacken (Fotolithografie),
➔ Aushärten von Kunststoffen (z.B. 3D-Druck),
➔ Fluoreszenz-Spektroskopie,
➔ Löschen von EPROMs,
➔ Desinfektion von Wasser, Luft, und Oberflächen ohne Chemikalien
➔ medizinische Diagnosen und Therapien,
➔ Bräunungsstudios,
➔ Anregung von Pflanzenwachstum.

Zur Messung der Strahlungsleistung sind geeignete Detektoren erforderlich, die für sichtbares Licht unempfindlich sind. Hierzu dienen Fotodioden aus Siliziumkarbid, die parallel zu den LEDs in Entwicklung sind, unter anderem beim FBH.

Die zunächst verhaltene Marktentwicklung wird sich in den nächsten Jahren stark beschleunigen. Das französische Marktforschungsunternehmen Yole Développement sagt für 2023 einen Weltmarkt von über 1 Mrd. US-Dollar voraus, davon allein die Hälfte für Desinfektion und ein Drittel für Polymerhärtung. Zwar wird sich der Abschied vom Quecksilber noch länger hinziehen, doch er hat zumindest begonnen.

Literatur

[1] Lemme, H.: Aufbruch ins Unsichtbare: Schnell wachsender Markt für Ultraviolett-LEDs. Elektronik 2011, Nr. 12, S. 50.

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