Erhöhung der Lichtextraktion ultravioletter Leuchtdioden

Als kompakte Lichtquellen sind Leuchtdioden (LEDs), die im ultravioletten (UV) Spektralbereich emittieren, für den Einsatz bei der Wasserreinigung, dem Aushärten von Kunststoffen, der Spektroskopie oder der Bioanalytik interessant. Für viele dieser Anwendungen muss die derzeit noch geringe Effizienz der UV-LEDs deutlich erhöht werden. Eine der zu lösenden Aufgaben besteht darin, dass ein Großteil des erzeugten UV-Lichts den Chip nicht verlässt sondern durch interne Absorption verloren geht. Mit einem neuartigen Ansatz beim Design des Halbleiterchips ist dem FBH hier ein Durchbruch gelungen. Im Unterschied zu herkömmlichen UV-LEDs wurde anstelle eines großflächigen elektrischen Kontakts oberhalb des lichtemittierenden Bereiches eine Matrix von Nanokontakten aus Palladium, sogenannte Nanopixel, verwendet und deren Zwischenräume durch Aluminium aufgefüllt. Während die Nanopixel für eine effiziente Strominjektion sorgen, wirkt das Aluminium als effizienter Reflektor für das UV-Licht und reduziert somit die Absorptionsverluste an der Chipoberfläche.

Die Funktionalität des Nanopixelkonzepts wurde anhand von LEDs, die bei einer Wellenlänge von 390 nm emittieren, nachgewiesen [vergleiche Lobo et al., Appl. Phys. Lett. 96, 081109 (2010)]. Lagen die Größe und der Abstand der Nanopixel im Bereich von 1 µm, so war die Effizienz entsprechender LEDs um bis zu 90% höher als bei konventionellen Kontaktdesigns. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass erst bei diesen kleinen Dimensionen die Ströme aus den einzelnen Nanopixeln im Bereich der aktiven Zone überlappen, sodass für die Emission im Bereich zwischen den Nanopixeln der darüber liegende Reflektor wirksam wird. Gegenwärtig werden LEDs mit Nanopixelkontakten auch für kürzere Wellenlängen entwickelt und mit anderen Verfahren zur Steigerung der Lichtextraktionseffizienz und Senkung des thermischen Widerstandes kombiniert.

FBH-Forschung: 26.08.2010