Bild des Monats: Falschfarben in der UV-LED Aus dem Institut für Halbleitertechnik

UV-Licht hat ein breites Anwendungsspektrum: Je nach Wellenlänge und Energieintensität des Lichts können UV-LEDs Flächen und Wasser entkeimen, Tomaten besonders schmackhaft wachsen lassen oder in der Dermatologie für Hautbehandlungen eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad der „unsichtbaren“ UV-LEDs ist jedoch noch ausbaufähig. Daran forscht ein Team im Institut für Halbleitertechnik. Ihr Ansatz: Die Kristallschichten innerhalb der UV-LEDs werden dreidimensional als Mikrostruktur angelegt statt wie bisher als zweidimensionale Scheibe. Analysen unter dem Elektronenmikroskop – wie hier auf dem Bild des Monats Juni zu sehen – lassen auf eine hohe Effizienz der so konstruierten UV-LEDs schließen.

Bildnachweis: Hendrik Spende, Christoph Margenfeld/ TU Braunschweig

UV-Licht ist für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Mit Hilfe eines Kathodolumineszenzaufbaus an einem Rasterelektronenmikroskop kann diese Lichtemission ortsaufgelöst aber sichtbar gemacht werden. Der Elektronenstrahl, der normalerweise zur Abbildung der Oberfläche genutzt wird, regt auch die elektronische Struktur des Halbleitermaterials in der LED an. Diese emittiert in der Folge in Licht verschiedener Wellenlängen, wobei die Wellenlänge von der genauen elementaren Zusammensetzung bzw. der Kristallstruktur abhängt. Die Wellenlänge des Lichts wird in diesem Fall mit Hilfe einer Skala in Falschfarben übersetzt und führt zu der farbenfrohen Erscheinung des Bilds des Monats. Der geringe Durchmesser des Elektronenstrahls erlaubt es dabei eine Auflösung von deutlich unter 100 Nanometern, d.h. unterhalb des optischen Beugungslimits, zu erreichen.

Schwarze Flecke weisen auf Kristallfehler hin

Mit diesen Falschfarben kann bestimmt werden, an welchen Stellen der Kristall Licht welcher Wellenlänge abgibt. Die Intensität der Emission spiegelt sich in der Helligkeit des Bildes wieder. Dunkle Flecken bedeuten dabei eine geringere Emission und weisen auf Defekte der Kristallstruktur hin. Je höher die Dichte schwarzer Punkte ist, desto geringer ist die Qualität des Kristalls. Diese hat einen direkten Einfluss auf die Effizienz der UV-LED.

Grundlagen für das Bild des Monats: Das Elektronenmikroskop bildet die Topographie des Aluminiumgalliumnitridkristalls in Graustufen ab (links). Wellenlänge und Intensität des unter Elektronenbestrahlung emittierten Lichts werden mithilfe einer Farbskala in Falschfarben übersetzt (rechts). Zusammengesetzt ergibt sich das Bild des Monats Juni. Bildnachweis: Hendrik Spende/ Christoph Margenfeld/ TU Braunschweig.

Die Zahl der Defekte innerhalb der Galliumnitridkristalle möchte das Team am Institut für Halbleitertechnik verringern und forscht deswegen an einer alternativen Bauteilgeometrie. Üblicherweise werden die Kristalle auf einem Wafer, einer ca. fünf bis zehn Zentimeter großen, kristallinen Scheibe, Schicht für Schicht aufgebaut. Dafür wird der Wafer in einem Reaktor auf einen 800 bis 1.200 Grad heißen Träger geladen und mit aluminium-, gallium- und stickstoffhaltigen Gasen überströmt. Diese reagieren auf dem heißen Substrat und der Aluminiumgalliumnitridkristall entsteht auf dem Wafer.

Finne im Querschnitt

Im Institut für Halbleitertechnik wurde dieser Prozess nun angepasst, damit sich zunächst die dreidimensionalen Strukturen, auch Finnen genannt, bilden. Die Waferoberfläche wird mit Siliziumdioxid maskiert und die Wachstumsbedingungen im Reaktor werden dabei so eingestellt, dass Finnen aus Galliumnitrid in den nicht maskierten Bereichen in die Höhe wachsen (dunkler V-förmiger und orangener Bereich im Bild). In einem weiteren Schritt wird die lichtemittierende Hülle aus Aluminiumgalliumnitrid um diesen Kern gewachsen (grüne, türkise und blaue Bereiche der Finne). Der Querschnitt einer solchen Finne ist auf dem Bild des Monats zu sehen.

Die Defektdichte, also die Zahl der Stellen, die kein Licht abgeben, ist auf den Seitenwänden der neuartigen Strukturen 100 bis 1.000-fach geringer als bei Aluminiumgalliumnitridkristallen, die, wie bisher, zweidimensional hergestellt werden. Das Team im Institut für Halbleitertechnik erhofft sich hiervon einen gesteigerten Wirkungsgrad der UV-LEDs, der dabei hilft, die Effizienzlücke zwischen UV- und herkömmlichen LEDs zu schließen. Während herkömmliche LEDs Energieeffizienzen von 80 Prozent aufweisen, sind es bei UV-LEDs derzeit noch ein bis zwei Prozent. Diese Grundlagenforschung könnte in Zukunft dazu beitragen, UV-LEDs noch häufiger im Pflanzenanbau, in der Dermatologie oder zur Desinfektion zu nutzen oder Anwendungen von LEDs im Bereich des Quantencomputing zu ermöglichen. Sie ist eingebunden in das Exzellenzcluster Quantum Frontiers und das EU-Projekt Smile und ging aus dem BMBF-geförderten Projekt „3D-UV-LED“ hervor.