LEDs und Laserdioden: die Lichtrevolution. Stephan Winnerl Abteilung Halbleiterspektroskopie, FZR

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1 LEDs und Laserdioden: die Lichtrevolution Stephan Winnerl Abteilung Halbleiterspektroskopie, FZR

2 Wie erhält man verschiedenfarbige LEDs? Warum ist die Farbe blau so wichtig? Wo werden HL-Laser Im Alltag eingesetzt? Wie funktioniert ein HL-Laser? Interessante Fragen zu Light Emitting Diodes (LEDs) und Halbleiter-Dioden-Laser (HL-Laser) Gibt es LEDs für den mittleren und fernen Infrarotbereich? Kann man Si-LEDs bauen? Wie funktioniert eine LED? OLEDs Was sind das?

3 Inhalt - Einstieg: Dynamik der LED-Entwicklung - Funktionsweise von LED und HL-Laser: Prinzip und technische Umsetzung - Wie erreicht man die verschiedenen Farben?

4 Einstieg: Dynamik der LED-Entwicklung Lichteffizienz (lm/w) Leuchtstoffröhre Halogenlampe Glühbirne gelb gefilterte Glühbirne rot gefilterte Glühbirne GaP:Zn,O rot GaAsP rot DH AlGaAs/AlGaAs rot AlGaAs/GaAs rot GaAsP:N rot, gelb GaP:N grün Zeit (Jahr) TS-AlGaInP/GaP orange AlGaInP/GaP rot, orange, gelb SiC blau Nitride GaN blau GaInN blau, grün

5 Einstieg: Produkte am Markt für superhelle LEDs Markt für LEDs: 2002: 3,2 Mrd. $, davon 1.8 Mrd. für superhelle LEDs ca. 20 % Wachstum pro Jahr

6 Grundlage der LED: der pn-übergang Verarmungszone p-halbleiter: p-halbleiter: freie p-halbleiter: freie Löcher Löcher freie Löcher n-halbleiter: n-halbleiter: freie freie Elektronen E-Feld freie Elektronen Ladungsdichte X

7 Funktionsweise: vom pn-übergang zum HL-Laser Energie p-dotiert n-dotiert Fermienergie Leitungsbandkante Valenzbandkante X Energie eu eu Problem: Absorption! X

8 Doppel-Heterostruktur-Laser Lösung: Doppel-Heterostruktur-Diode Energie Leitungsbandkante Valenzbandkante X

9 Aufbau eines HL-Laser Elektroden ktive chicht p-schicht n-schicht Wärmesenke Braggspiegel Braggspiegel aktive Schicht HL-Laser im Alltag: CD (650 MB): λ = 780 nm DVD (4,7 GB): λ = 640 nm Optische Datenübertragung: λ = 1,3 µm; 1,55 µm

10 Lichtauskopplung in einer LED LED-Kristall in Form eines Pyramidenstumpfes: Typische Brechungsindizes: Halbleiterkristall: n = 3,5 Epoxidkapsel: n = ,5

11 Welches Material? Ein Blick in s Periodensystem III IV V 5 B 6 C 7 N 13 Al 14 Si 15 P 31 Ga 32 Ge 33 As LB Direkter Halbleiter Energie LB Indirekter Halbleiter z.b Si, Ge Energie 49 In 50 Sn 51 Sb VB VB Kristallimpuls Kristallimpuls Verbindungshalbleiter mit direkter Bandlücke: GaAs, InP, GaN,... Ternäre Verbindungen: z.b. Al x Ga 1-x As Quarternäre Verbindungen: z.b. (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P

12 Problem der Gitteranpassung Ungesättigte Bindung Gitterkonstante a 1 Gitterkonstante a 0

13 Das AlGaInP/GaAs System 2,5 AlP 500 Bandlücke (ev) 2,3 2,1 1,9 1,7 GaP (Al x Ga 1-x ) 0,5 In 0,5 P (gitterangepasst auf GaAs) Al x In 1-x P ,5 850 GaAs Ga x In 1-x P InP 900 1, ,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 Gitterkonstante (Å) Wellenlänge (nm)

14 Das GaInN System 6,0 AlN III-V Nitride T = 300 K 200 5,0 4, ,0 GaN 400 2,0 SiC ZnO 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Gitterkonstante (Å) InN

15 Aufbau einer weißen LED Phosphoreszenz LED Chip Blaue Lumineszenz Phosphor

16 Licht einer weißen LED opt. Leistung (willkürl. Einheiten) 1,0 0,8 Blaue Lumineszenz 0,6 0,4 Phosphoreszenz 0,2 0, Wellenlänge (nm)

17 Der Farbraum G: Glühlampe (x,y) = 0,44, 0,41 T = 2860 K W: Tageslicht (weiß) (x,y) = 0,31, 0,33 T = 6500 K G Schwarzkörperstrahlung

18 Zusammenfassung: nochmals ein Blick auf die LED-Entwicklung Lichteffizienz (lm/w) Leuchtstoffröhre Halogenlampe Glühbirne gelb gefilterte Glühbirne rot gefilterte Glühbirne GaP:Zn,O rot GaAsP rot DH AlGaAs/AlGaAs rot AlGaAs/GaAs rot GaAsP:N rot, gelb GaP:N grün Zeit (Jahr) TS-AlGaInP/GaP orange AlGaInP/GaP rot, orange, gelb SiC blau Nitride GaN blau GaInN blau, grün

19 Anhang Aufbau des menschlichen Auges

20 Anhang Spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges

21 Anhang Quantenkaskadenlaser für das mittlere und ferne IR Bisher: Interbandübergänge in pn-übergang Jetzt: Intersubbandübergänge in spezieller Heterostruktur (nur Elektronen) Electronen Injektion Miniband Minigap Miniband Leitungsbandkante Aktive Zone Injektor Zone Aktive Zone Elektronen Abfluss

22 Anhang Quantenkaskadenlaser für das mittlere und ferne IR Wellenlängenbereich: 3,4 µm 120 µm Einsatzgebiete: - Spektroskopie an Gasen z.b. Spurengase in der Atmosphäre - Kommunikation

23 Anhang Interessante Internetseiten zu LEDs Unter finden Sie gut aufbreitete Informationen zu Grundlagen und Anwendungen von Leuchtdioden. Unter findet sich eine Zusammenstellung von 100 Vortragsfolien rund um LEDs. Weiterhin gibt es dort viele Links zu anderen interessanten Seiten. In den Galeries von Act One Communications ( einem amerikanischen Unternehmen, finden Sie Bilder von Anwendungen von superhellen LEDs (Schriftzüge, Ampel, Videowände, Raumbeleuchtung...). Ein interessantes Feld, das ich im Vortrag nicht behandeln konnte, sind organische Leuchtdioden (OLEDs). Dresden ist ein Zentrum des Fortschritts auf diesem Gebiet. Informationen finden Sie beispielsweise unter:

24 Anhang Basteltipps Schließlich können Sie z.b. bei Conrad Electronic ( selbst einzelne LEDs - gerade auch superhelle und weiße - kaufen. In der Regel sind sie in der Filiale am Dresdner HBF direkt vorrätig. Sicher fallen Ihnen und Ihren Schülern viele spannende Experimente, z.b. zur Farbmischung ein. Oder messen Sie einfach die Spannung, ab der eine LED zu leuchten beginnt und Sie erhalten ein direktes Maß für die Bandlücke des Halbleiters. Superhelle LEDs können meist mit Dauerströmen von 20 ma betrieben werden. Man sollte aus der Nähe nicht direkt in den Strahl blicken (Gefahr der Netzhautverbrennung)! Ich wünsche Ihnen und Ihren Schülern viel Spass beim Experimentieren mit LEDs! Wenn Sie Fragen haben, stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung: s.winnerl@fz-rossendorf.de