92 6 Lichtemittierende Dioden (LEDs) 6.5 LED-Technologie 6.5.1 Aufbau, Wirkungsgrad und Ankontaktierung von LED-Lampen Kommerziell verfügbare Halbleiter-Leuchtdioden bestehen aus einem Halbleiter-Chip, der in eine Kunststofflinse (PMMA) eingebettet ist. Die Kunststofflinse bündelt das divergent abgestrahlte monochromatische Licht des LED-Chips und schützt gleichzeitig den LED-Chip vor Feuchtigkeit und Korrosion. Die Ankontaktierung erfolgt meist mittels eines Anschlussdrahtes (wire bonding). Neben den seit den 70er Jahren üblichen 5 mm LED existieren seit 1999 auch die so genannten High-Flux-LED (Abb. 6.11). Letztere unterscheiden sich von 5 mm LED durch einen je nach Lichtfarbe um den Faktor 20 bis 50 höheren Lichtstrom. Die Leistungsverbesserung basiert neben der Zunahme der Chipgröße und Optimierung der Chipgeometrie vor allem auf einer Steigerung des Wirkungsgrades durch den Einsatz von Heterostrukturchips, die eine bessere Strom- und Lichtlenkung im LED-Chip ermöglichen. 5mm LED High-Flux LED Gold-Draht LED Chip PMMA-Linse Kathodenkontakt Anodenkontakt LED Chip Rahmen Basisträger Kathodenkontakt Anodenkontakt Reflektorkappe Abb. 6.11 u Aufbau von 5-mm Standard-LED und High-Flux-LED
Lichtemittierende Dioden (LEDs) 6 93 Mag = 1.50 KX 10µm EHT = 20.00kV Abb. 6.12 u Golddraht bond-pad zur Ankontaktierung der LED-Chip-Oberfläche Lichtstrom Signal-Änderungszeiten 90 % 1994 10 % Zeit Signalstrom Lichtstrom a 2000 b Zeit Abb. 6.13 u a) Entwicklung der LED-Chip Technologie, b) Verhalten von LED-Chips in der Datenübertragung
94 6 Lichtemittierende Dioden (LEDs) Für die Datenübertragung werden spezielle LED-Chips benötigt. Wie aus Abbildung 6.13 hervorgeht, folgt für kleine Modulationsfrequenzen die Lichtemission eines LED-Chips nahezu linear dem Anregungsstrom (Abb. 6.13 b). Die Lichtemission des Chips bei Rechteckmodulation des Stroms zeigt unter diesen Bedingungen gleiche Signalanstiegsund Signalabfallzeiten. Die einzige Möglichkeit, hohe Übertragungsraten größer 1 Gb/s zu realisieren ist, die Signalanstiegs- und Signalabfallzeiten, die in einem gewöhnlichen LED- Chip etwa 100 ps betragen, zu reduzieren. Dies kann durch spannungsabhängige Dreiecksbarrieren im LED-Chip erreicht werden. Spannungsabhängige Dreiecksbarrieren ermöglichen es, auf einer Seite der aktiven Zone des Chips das Ausmaß des carrier confinements als Funktion von der am LED-Chip anliegenden Spannung zu variieren. Wird die Barriere ausgeschaltet, so können die Minoritätsladungsträger aus der aktiven Zone herausdriften und stehen somit für die Lichterzeugung nicht mehr zur Verfügung. Dies mindert die Signalabfallzeit um ca. 50% und ermöglicht dadurch eine deutlich schnellere Datenübertragung. AlInGaP Farben (kub. Gitter) 626 nm Rot 615 nm Rotorange 605 nm Orange 590 nm Amber InGaN Farben (hex. Gitter) 525 nm Grün 505 nm Blaugrün 495 nm Türkis 450 nm Blau Abb. 6.14 u Zuordnung der LED-Lichtfarben zu den Basis-III-V-Halbleitern Halbleiter-Leuchtdioden sind heutzutage in fast allen Farben des sichtbaren Spektrums als auch als UV- oder Infrarotemitter verfügbar (Abb. 6.14). Sie basieren entweder auf dem kubischen AlInGaP- oder dem hexagonalen InGaN- Halbleitertyp. Die genaue Licht-
Lichtemittierende Dioden (LEDs) 6 95 a b Blauer Peak Grüner Peak 470 525 590 630 (nm) Lichtmischung Rot,Grün,Blau ( RGB) Fluoreszenz Roter Peak kombiniertes Spektrum Blaue LED 470 525 590 630 (nm) Beschichtung mit Fluoreszenzfarbstoffen Blau -> weiß Abb. 6.15 u a) weiße LED auf RGB-Basis, b) Weiße LED auf Konversionsbasis mit Abbildung einer weißen 3W- LED (Level 1), c) Spektren verschiedener Konversions- LED und einer Glühlampe (eigene Messung durch Papierdiffusor) farbe wird dabei über die Wahl eines geeigneten Heterostruktursystems eingestellt. Für die Erzeugung von weißem LED-Licht sind drei verschiedene LED- Bauformen denkbar. Zum einen kann das Licht einer roten, einer grünen und einer blauen LED additiv zu weißem Licht gemischt werden (Abb. 6.15 a). Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Weißpunkt des erzeugten Lichts über die Lebensdauer der LED und in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur schwankt. Zudem ist die Farbwiedergabeeigenschaft des weißen Lichts relativ schlecht. Eine wesentlich bessere Alternative stellt die Beschichtung eines blau emittierenden LED- Chips mit mindestens einem Fluoreszenzfarbstoff dar (Abb. 6.15 b). Hierdurch lassen sich Schwankungen des Weißpunkts über die Lebensdauer der LED fast völlig eliminieren und die Farbwiedergabe auf R a > 90 steigern. Technologisch ist es je-
96 6 Lichtemittierende Dioden (LEDs) doch ausgesprochen schwierig, den Weißpunkt derartiger Konversions-LED in der LED- Produktion genau einzustellen. Ursache ist die Tatsache, dass ein Teil des sichtbaren Lichts des LED-Chips den Fluoreszenzfarbstoff unkonvertiert passieren muss. Schon geringfügige Dicke- oder Dichteschwankungen der Fluoreszenzfarbstoffbeschichtung führen daher zu einer Verschiebung des Weißpunktes. Eine technologisch bessere Lösung wäre die Konversion einer UV-emittierenden LED mit einem 3-Banden-Fluoreszensfarbstoff in Analogie zur Leuchtstofflampe. UV-LED stehen jedoch heutzutage noch nicht mit einem ausreichenden Wirkungsgrad zur Verfügung. Die Farbtemperatur weißer LED wird durch die Schichtdicke und Zusammensetzung der Leuchstoffschicht bestimmt. In Abbildung 6.15c sind die Spektren einer warmweißen LED, einer kaltweißen LED, sowie einer Glühlampe dargestellt. In Abhängigkeit von der zu erzielenden Farbtemperatur wird bei Konversions-LED die Zusammensetzung der Leuchtstoffschicht variiert. Bei der sogenannten Remote-Phosphor - bzw. Remote-Leuchtstoff -Technologie wird der Leuchtstoff in einen selbsttragenden Kunststoff-Träger eingebracht und dieser räumlich von der LED-Chip-Oberfläche separiert. (Abb. 6.27, MASTER LED E27-Austauschlampen 8W, 12W und 20W sowie Abb. 6.28 b, Fortimo-Module). Hierdurch wird der LED-Chip nicht mehr durch die Konversionswärme des Leuchtstoffs belastet, was zu einer etwa 15% höheren Lichtausbeute führt. Die Remote-Leuchtstoff-Technologie ist heute ein gängiges Verfahren in der Konzeptionierung von LED-Modulen für den Leuchtenbau. Die Grenzen des Verfahrens liegen in der maximalen Konversionswärme, mit der die selbsttragende Leuchtstoffplatte belastet werden kann. Für Punktlichtquellen mit Lichtstromaustrittsdichten oberhalb von 300 lm/cm² ist daher diese Technologie nicht mehr anwendbar und der Leuchtstoff muss direkt auf die LED Chip-Oberfläche-aufgebracht werden. LED müssen im Rahmen ihrer Herstellung vor der Verbauung in Modulen oder Leuchten in Schüttgutgruppen vereinzelt werden (binning). Hierbei werden die LED kurz elektrisch kontaktiert, um in einem automatisierten Verfahren den Farbort und den Lichtstrom zu bestimmen. Der maximale Farbortabstand bestimmt die Güte des LED-bins. Der Farbortabstand und die Lichtstromdifferenz wird dabei so gewählt, daß bei einem späteren Einsatz der LED in der Applikation im Idealfall alle LED das gleiche optische Erscheinungsbild aufweisen.
Lichtemittierende Dioden (LEDs) 6 97 Heute () und in (2016-2018) Lichtausbeute (lm/w) 250 200 150 100 50 0 blau 470 415 nm grün 530 nm gelb 590 nm rot 620 nm weiss 250 200 150 100 50 0 62 589 517 260 < 200 Theoretische Maximalwerte (lm/w) Abb. 6.16 u Lichttechnische Wirkungsgrade kommerziell verfügbarer LED- Module unter Betriebsbedingungen. Der technische Wirkungsgrad einer Leuchtdiode hängt neben der Lichtfarbe aber auch sehr stark von der Temperatur der aktiven Schicht im Halbleiterkristall ab. Wie in Abb. 6.17 gezeigt ist, fällt der Lichtstrom dabei gemäß Gleichung (6.5) sehr stark mit steigender Umgebungstemperatur ab. Die Wellenlänge der LED-Emission vergrößert sich jedoch nur um 1 nm je 10 K Temperaturerhöhung (Gl. 6.6). Der Temperaturkoeffizient k ist dabei vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig und beträgt ca. 10-2. (Gl. 6.5) (Gl. 6.6) Φ T 1 T 2 λ k T = Lichtstrom der LED = Temperatur vor dem Erwärmen der LED = Temperatur nach dem Erwärmen der LED = Hauptemissionswellenlänge der LED = Temperaturkoeffizient Eine Hochleistungs-LED muss eine sehr gute innere thermische Leitfähigkeit besitzen, da bei einer Selbstaufheizung der LED die Glastemperatur der PMMA-Linse oder Silikonlinse überschritten werden kann, was die LED augenblicklich zerstören würde.