Aluminium-Tuning für Leuchtdioden

Gaithersburg (pte014/22.03.2019/12:30) - Mit einem raffinierten technischen Trick ist es Forschern am National Institute of Standards and Technology (NIST) https://www.nist.gov gelungen, die Lichtemission einer der die Ultraviolett-Leuchtdioden (LED) zu verfünffachen. Sie reicherten in einem neuen Verfahren die Hülle, die die LED umgibt, mit Aluminiumatomen an. Dadurch gehen keinerlei Photonen mehr verloren. Alle landen im angeschlossenen Lichtwellenleiter.

Aluminium gegen Ausbüchsen von Elektronen

Die neuartige LED basiert auf Galliumnitrid-Nanodrähten, mit denen sich NIST-Experten seit langem befassen. Die Forscher dotierten das Halbleiter-Material Galliumnitrid mit Silizium, das heißt, sie schossen einzelne Siliziumatome hinein. Dadurch waren zusätzliche Elektronen verfügbar. Als Hülle wird gern mit Magnesium dotiertes Galliumnitrid verwendet. Diese Hülle stellt dann sogenannte Löcher, also positive Ladungen, bereit. Wenn Löcher und Elektronen sich vereinen, also ihre Ladungen neutralisieren, wird Licht frei, das Material fluoresziert.

Wenn die Hülle nun zusätzlich mit Aluminium dotiert wird, stellt sich der erwünschte Effekt ein: Die Emissionsleistung steigt auf das Fünffache. Das Aluminium reduziert die Verluste durch einen Überfluss an Elektronen und die interne Absorption von Licht. "Aluminium sorgt für eine Asymmetrie des elektrischen Stroms, die verhindert, dass Elektronen in die Hülle fließen statt ihre eigentliche Aufgabe zu erfüllen, nämlich sich mit den Löchern zu vereinen und ultraviolettes Licht zu erzeugen", erklärt Matt Brubaker, der die Entwicklungsarbeit leitet.

Breites Anwendungsspektrum für UV-LED

Die NIST-Forscher haben auf der Basis der Nano-LED bereits ein Messgerät zur zerstörungsfreien Prüfung der Güte von Halbleitern und Solarzellen entwickelt. Die Diode könne auch in der Biologie eingesetzt werden, um Zellstrukturen und die Entfaltung von Proteinen zu erforschen.
Leuchtdioden, die ultraviolettes Licht emittieren, lassen sich auch nutzen, um bestimmte Kunststoffe auszuhärten - beispielsweise Plomben, die der Zahnarzt setzt -, um Wasser von Schadstoffen zu befreien und im medizinischen Bereich zu desinfizieren.

Der Kern der LED hat einen Durchmesser von 440 Nanometern (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Die Hülle ist 40 Nanometer dick. Damit sie sich überhaupt manipulieren lässt, erhält sie in eine weitere inaktive Hülle, sodass die komplette LED einen Durchmesser von rund fünf Mikrometern hat.

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