Fortschritte durch Nanotechnologie

Mit dem Einsatz von Nanotechnologie erhofft sich OSRAM, künftig deutlich mehr LED-Chips auf den bestehenden Produktionsanlagen fertigen zu können. Forschern des Unternehmens ist es erstmalig gelungen, eine sogenannte „3D-Nano-LED” für weißes Licht herzustellen. Möglich wird der Produktivitätsschub durch die besonderen Oberflächeneigenschaften des LED-Chips: Anders als bei heute gebräuchlichen Modellen ist diese nicht glatt, sondern besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter mikroskopisch kleiner Säulen – sie ist dreidimensional. Dadurch vergrößert sich ihre lichtemittierende Oberfläche. Serienreif wird die neue Technologie voraussichtlich in den kommenden Jahren. Osram wäre dann eines der ersten Unternehmen, das diese Technologie einsetzt.

Der bestimmende Faktor für die Kapazität einer LED-Chip-Fabrik ist heute die Größe der sogenannten Wafer. Ein Wafer sieht aus wie eine etwas größere DVD und fungiert während der LED-Chip-Produktion als Unterlage. Auf dieser werden Halbleitermaterialien als dünne Schichten aufgebracht und dann in Zehntausende einzelne Chips zerteilt. Die Zahl der Chips pro Wafer wird dadurch begrenzt, dass für eine bestimmte Lichtmenge eine gewisse LED-Chip-Oberfläche notwendig ist – ansonsten leidet die Effizienz. Und genau hier liegt die Innovation des Prototypen: „Wenn man sich die Oberfläche eines 3D-Nano-LED-Chips unter dem Mikroskop anschaut, sieht es aus, als hätten wir auf einem flachen Stück Land ganz viele Hochhäuser errichtet”, erklärt Martin Strassburg, Innovationsmanager bei der OSRAM Geschäftseinheit Opto Semiconductors in Regensburg. „Das sorgt, wenn man so will, für mehr Fassadenfläche auf gleicher Grundstücksgröße.”
Der Prototyp-Chip hat auf gleicher Grundfläche eine 5- bis 10-mal größere Oberfläche als aktuelle LED-Chips. Bezogen auf die Grundfläche wird somit auch viel mehr Licht erzeugt. Außerdem lässt sich dadurch auch die Lichtausbeute zukünftig um etwa zehn Prozent steigern. „Das wären je nach Modell pro Wafer einige Tausend zusätzlicher Chips”, so Strassburg. Um die 3D-Chip-Oberfläche zu erzeugen, wird auf dem Wafer oberhalb der ersten abgeschiedenen Halbleiterschichten eine so genannte Maskierungsschicht aufgebracht. Diese kann man sich wie eine hauchdünne Glasscheibe vorstellen, mit der der Chip abgedeckt wird. Anschließend erhält diese Löcher mit einem Durchmesser von wenigen hundert Nanometern, durch die die charakteristischen Säulen der Nano-LED wachsen. Anschließend werden die Säulen mit einem transparenten Kontaktmaterial überzogen, damit die gesamte Oberfläche optimal mit Strom versorgt ist.

Besonders anwendungsnah ist der Prototyp-Chip, weil die Oberfläche bereits mit dem Leuchtstoff versehen wurde, der – wie bei weißen LED üblich – das anfänglich blaue Licht der LED in weißes Licht verwandelt. Damit dies gelingt, wurde am Osram-Standort Schwabmünchen ein neuartiger, extrem effizienter Leuchtstoff entwickelt, der besonders feinkörnig ist und sich so auch an den Seitenflächen der „Nano-Säulen” verteilen kann.
Nachdem der Prototyp fertiggestellt wurde, sollen in einem nächsten Schritt die Farbabweichungen an den Seitenflächen der „Säulen” reduziert werden, um das Farbspektrum besser kontrollieren zu können. Parallel wird die Industrialisierung in Angriff genommen. „Wir denken, dass wir Nano-LEDs in den kommenden Jahren erstmals in einem Produkt sehen werden.”

Die Erforschung der 3D-Nano-LED wird vom ICT FP7 Programm der Europäischen Union im Projekt GECCO (#280694) gefördert.