3D-UV-LED

AlN und AlGaN als defektfreie 3D-Plattform für UV-LEDs

Effiziente und kompakte Ultraviolett-LEDs als Enabling Technology

In einer Welt des globalen Wandels mit wachsender Bevölkerung, immer höherem Lebensstandard und gleichzeitig begrenzter Ressourcen stellen neue Technologien für kompakte und hocheffiziente Lichtemitter eine wichtige Basis-Technologie mit enormer technischer und gesellschaftlicher Wirkung dar.

So könnten beispielsweise Ultraviolett-Leuchtdioden (UV-LEDs) durch ihre kompakte Bauform und sehr geringen Energiebedarf zur portablen Wasserdesinfektion in Entwicklungsländern, Unterstützung des Pflanzenwachstums in der vertikalen Landwirtschaft in städtischer Umgebung oder Aushärtung von Faserverbundmaterialien für ressourcenschonende Mobilität eingesetzt werden.

Bisher ist der Austausch von herkömmlichen UV-Gasentladungslampen, die umweltschädliches Quecksilber verwenden, aufgrund der noch zu geringen Effizienz der UV-LEDs jedoch in den meisten Fällen noch nicht wirtschaftlich. Im Gegensatz zu Weißlicht-LEDs, die mittlerweile über 80 % externe Quanteneffizienz erreichen und herkömmliche Leuchtmittel fast vollständig ablösen, gibt es bei UV-LEDs fundamentale physikalische Herausforderungen. Konventionelle Ansätze beruhen allerdings bisher meist auf planaren Schichtstapeln, bestehend aus dünnen Halbleiter-Schichten.

Im WiVoPro „3D-UV-LED“ sollen dreidimensionale Strukturen für die Herstellung von UV-LEDs erforscht werden, die aufgrund ihrer Geometrie deutliche Vorteile gegenüber konventionellen planaren LED-Architekturen erwarten lassen.

Vordringen in die dritte Dimension: 3D-Architekturen für UV-LEDs

Zwei der grundlegenden Probleme von konventionellen UV-LEDs sind die ineffiziente Erzeugung ultravioletter Strahlung durch den negativen Einfluss von Defekten im Halbleiterkristall und die erschwerte Auskopplung des erzeugten Lichts aus dem Bauelement.

Eine mögliche Lösung stellt die Abkehr planaren von herkömmlichen, Konzepten hin zu einer dreidimensionalen LED-Architektur dar. Durch das freistehende Wachstum von streifenförmigen Mikrostrukturen, sogenannten Finnen, aus dem Halbleiterkristall Galliumnitrid werden Spannungen im Material vermieden, die normalerweise zur Ausbildung von Defekten führen würden. Somit steht ein defektarmes Substrat zur weiteren Herstellung der UV-LEDs zur Verfügung. Die Schichten der LED bedecken in dieser Architektur als Mantelschichten die gesamten Seitenwände der Finnen. Diese neuartige Geometrie ermöglicht die Auskopplung der UV-Strahlung über die Seitenwände der Finnen.

Ziel des WiVoPro „3D-UV-LED“ ist es, die zur Herstellung von dreidimensionalen UV-LEDs benötigten Prozesse zu entwickeln und abschließend erste auf der neuartigen Architektur basierende UV-Emitter zu demonstrieren. Schlüsseltechnologien dafür stellen die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE), hybride Ätzverfahren für den Halbleiter Aluminium-Galliumnitrid und die Strukturierung mit Ultrakurzpuls-Lasern dar.

Projektdetails

Koordinator

Prof. Dr.Andreas Waag
Institut für Halbleitertechnik, TU Braunschweig
Hans-Sommer-Straße 66, 38106Braunschweig
+49 531 391-3774

Projektvolumen

354.000 € (Förderquote 100%)

Projektdauer

01.07.2018 - 30.06.2020

Projektpartner

Institut für Halbleitertechnik, TU BraunschweigBraunschweig