Ultraviolette Leuchtdioden

Von der Chiptechnologie zur Anwendung

  • Abb. 1: Externe Quanteneffizienzen von UV-LEDs unterschiedlicher Emissionswellenlänge. Die Werte entstammen Publikationen. Die verschiedenen Forschungsgruppen sind mit unterschiedlichen Symbolen gekennzeichnet [2].Abb. 1: Externe Quanteneffizienzen von UV-LEDs unterschiedlicher Emissionswellenlänge. Die Werte entstammen Publikationen. Die verschiedenen Forschungsgruppen sind mit unterschiedlichen Symbolen gekennzeichnet [2].
  • Abb. 1: Externe Quanteneffizienzen von UV-LEDs unterschiedlicher Emissionswellenlänge. Die Werte entstammen Publikationen. Die verschiedenen Forschungsgruppen sind mit unterschiedlichen Symbolen gekennzeichnet [2].
  • Abb. 2: Spektrum (a) und Strom-Spannungs-Leistungskennlinie (b) einer UV-LED mit einer Peakemissionswellenlänge von 308 nm, aufgenommen bei 15 °C. Das kleine Bild in (a) zeigt eine typische Aufbauform in einem TO-Gehäuse.
  • Abb. 3: Bestrahlungsmodul mit UVB-LEDs in der Decke als Demonstrator für Experimente zur Pflanzenbeleuchtung.
Leuchtdioden (LEDs), die ultraviolettes (UV) Licht ausstrahlen, entwickeln sich zusehends zu Strahlungsquellen, die herkömmliche UV-Lampen in einigen Fällen ersetzen und sogar ganz neue Anwendungsfelder für UV-Strahlung eröffnen können. Die Herstellungstechnologie von UVB-LEDs und der mögliche Einsatz dieser LEDs werden beschrieben.
 
Ultraviolettes (UV) Licht wird seit langem für verschiedenste Zwecke eingesetzt: Durch UV-Bestrahlung lassen sich die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen oder Farben verändern – man kann sie unter anderem aushärten. Hautkrankheiten wie Schuppenflechte oder Vitiligo können behandelt werden, auch Wasser, Luft oder feste Oberflächen lassen sich damit desinfizieren beziehungsweise sterilisieren. Zudem sind zahlreiche Gase und Biomoleküle mittels UV-Licht nachweisbar. Als künstliche UV-Strahlquellen werden heute in der Regel Quecksilberdampflampen genutzt. Je nach Gaszusammensetzung und -druck geben diese Lampen ein schmal- oder breitbandiges UV-Spektrum ab, sie sind kostengünstig und mit Gesamtwirkungsgraden zwischen 15% und 40% relativ effizient. Allerdings haben sie auch inhärente Nachteile: Quecksilber ist giftig und umweltgefährlich, durch die Lampengeometrie ist die Bauform der UV-Strahlungsquelle beschränkt und neben dem UV-Licht wird immer auch Wärme abgestrahlt. Zudem lassen sich die Lampen  nicht beliebig dimmen oder schnell schalten und brauchen eine hohe Betriebsspannung. Bei Anwendungen in der Spektroskopie, die eine definierte Wellenlänge erfordern, ist man entweder auf die Spektrallinien des Quecksilbers beschränkt oder muss die gewünschte Wellenlänge aus einem breitbandigen Spektrum herausfiltern. Daher entwickeln sich UV-Leuchtdioden (UV-LEDs) seit geraumer Zeit zu einer ernsthaften Alternative und eröffnen neue Einsatzfelder für UV-Licht.
 
Stand der Technik
Anders als eine Quecksilberdampflampe besteht eine UV-LED aus ungiftigen Stoffen, und zwar aus Halbleiterschichten auf der Basis von (AlGaIn)N auf einem Saphirsubstrat. Mit Chipgrößen unter 1 mm x  1 mm lassen sich flexibel UV-Strahler verschiedenster Geometrie herstellen, die Verlustwärme kann effizient über Kühlkörper abgeführt werden, UV-LEDs sind schnell schaltbar und dimmbar, die Wellenlänge ist über einen weiten Wellenlängenbereich einstellbar – über den gesamten UVA- (400-320 nm), UVB- (320-280 nm) und große Teile des UVC-Bereichs (280-210 nm).

Noch ist die UV-LED-Technologie jung, das heißt die Bauelemente sind vergleichsweise teuer und ineffizient [1]. Abbildung 1 gibt einen Überblick über den gegenwärtigen Stand bezüglich der externen Quanteneffizienz (EQE) von UV-LEDs verschiedener Wellenlänge [2]. Die EQE beziffert den Wirkungsgrad, mit dem Ladungsträger, also Strom, in abgestrahlte Photonen, und damit in Licht, umgewandelt werden. Liegen die EQE-Werte blauer LEDs bei bis zu über 70% und die von UVA-LEDs (360-380 nm) immerhin noch um die 20%, sind für UVB- und UVC-LEDs derzeit eher 1-5% typisch. Aktuelle Prognosen zur Technologie- und Marktentwicklung von UV-LEDs sagen jedoch voraus, dass die Betriebseigenschaften von UV-LEDs sich denen von sichtbaren LEDs weiter annähern werden [3].

 
Technologische Herausforderungen von UV-LEDs
Die enge Kooperation des Instituts für Festkörperphysik der Technischen Universität Berlin (TUB) und der Arbeitsgruppen am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) im Rahmen des Joint Lab GaN Optoelectronics, hat in den letzten Jahren zu einer erheblichen Weiterentwicklung der UVB-LED-Technologien geführt [4]. Die Grundlage bilden (AlGaIn)N-Schichtstrukturen, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf Saphirsubstraten abgeschieden werden. Die Dichte an Kristallfehlern, sogenannten Versetzungen, bestimmt maßgeblich die Rate, mit der Ladungsträger in der aktiven Zone wie gewünscht strahlend unter Lichtaussendung anstatt nichtstrahlend durch Wärmeerzeugung rekombinieren. Komplexe Schichtsysteme aus AlN, GaN und AlGaN oder Wachstumskonzepte wie das Laterale Überwachsen (ELO - Epitaxial Lateral Overgrowth) helfen, Verspannungen im Kristall kontrolliert abzubauen und Kristallfehler auszuheilen. Ebenso wichtig ist es, die Ladungsträger effizient in die aktive Zone zu injizieren und insbesondere zu verhindern, dass Elektronen auf die p-Seite der LED-Schichtstruktur überströmen und damit für die gewünschte Lichterzeugung verloren sind. Dünne AlGaN- beziehungsweise AlN-Barriereschichten, sogenannte Electron Blocking Layer, wurden dafür sorgfältig optimiert. Das Licht muss aber nicht nur im LED-Chip erzeugt werden, sondern diesen auch verlassen können. Durch Totalreflexion an den Chipoberflächen wird ein großer Teil des Lichts im Chip eingesperrt und wieder absorbiert. Aufgrund der elektronischen Bandstruktur der verwendeten Halbleiter ist das erzeugte UV-Licht teilweise polarisiert und kann bevorzugt parallel zur Chipoberfläche abgestrahlt werden, was die Auskopplung weiter erschwert.  Über die Einführung sogenannter Nanopixelkontakte, die einen Teil des UV-Lichts in Richtung der Auskoppelfläche des Chips umlenken ohne die Strominjektion maßgeblich zu behindern, konnte die Extraktionseffizienz in den UV-LEDs erheblich gesteigert werden.
 
Leistungsfähigkeit der UV-LEDs
Abbildung 2 zeigt Kenngrößen von UVB-LEDs, die im Joint Lab GaN Optoelectronics entwickelt wurden. Die Chips sind auf AlN-Keramiken gelötet, so dass das UV-Licht durch das Saphirsubstrat auskoppelt. Derart montierte LEDs können anschließend in TO-Gehäuse verbaut werden, wie auf dem Foto in Abbildung 2a zu sehen. Die Emissionsspektren zeigen einen Einzelpeak, der in diesem Fall bei 308 nm liegt und eine Breite von circa 8 nm hat. Die Emission im sichtbaren Spektralbereich ist vernachlässigbar. Bei einem Betriebsstrom von 20 mA liegt die optische Emissionsleistung bei etwa 1 mW. Durch effiziente Kühlung des LED-Chips lassen sich bei höheren Strömen auch Leistungen von bis zu 18 mW erzielen. Neben einer hohen optischen Leistung und Effizienz ist die Zuverlässigkeit ein weiteres wichtiges Kriterium für die Anwendbarkeit von UVB-LEDs. Degradationsstudien zeigen, dass die optische Leistung hauptsächlich innerhalb der ersten 100 Betriebsstunden – vermutlich über Aktivierung von Kristalldefekten im Halbleiter – absinkt. Nach diesem Einbrennen laufen die UVB-LEDs stabil, so dass selbst nach 3.500 Stunden Betrieb bei einem hohen Betriebsstrom von 100 mA die Leistung auf nur 70 % des Startwerts abgesunken ist. Extrapolationen sagen eine L50-Lebensdauer der UVB-LEDs von über 10.000 Stunden voraus, wobei die Lebensdauer maßgeblich durch die Temperatur und die Stromdichte bestimmt werden, da diese beiden Größen Defektreaktionen im Halbleiter beschleunigen [5].
 
Die Anwendung im Visier
Um die Entwicklung der UV-LED-Technologie noch stärker zu beschleunigen, hat das FBH damit begonnen, Komplettanlagen mit UV-LEDs für spezielle Einsatzfelder zu entwickeln und zu fertigen. Das Institut testet diese mit Partnern aus Industrie und Forschung. Neben Anlagen zur Wasserdesinfektion, die UVC-LEDs nutzen, gehören dazu vor allem Module zur Bestrahlung von Pflanzen mit UVB-Licht. Abbildung 3 zeigt ein Demonstrationsmodul, das das FBH für das Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) entwickelt hat. Es ist bekannt, dass UVB-Strahlung in moderater Dosis die Biosynthese pflanzlicher Sekundärmetabolite beeinflusst und man durch gezielte Bestrahlung eine signifikante Erhöhung gesundheitswirksamer Stoffe wie Glucosinolate oder Carotinoide erreichen kann. Medizinische Studien haben gezeigt, dass diese Substanzen beim Menschen z.B. das Risiko einer Krebs- oder Herz-Kreislauf-Erkrankung deutlich senken können. Somit bieten Gemüse und Früchte, in denen solche Stoffe gezielt durch UV-Beleuchtung mit angepasstem Emissionsspektrum angereichert werden, einen zusätzlichen Nutzen: Ihr Einsatz in der Pflanzenzucht ermöglicht funktionelle Lebensmittel, sogenanntes Functional Food, und Nahrungsergänzungsmittel, die nicht nur satt, sondern auch gesund machen [6].
 

Literatur

[1] M. Kneissl, T. Kolbe, C. Chua, V. Kueller, N. Lobo, J. Stellmach, A. Knauer, H. Rodriguez, S. Einfeldt, Z. Yang, Advances in Group III-nitride-based deep UV light-emitting diode technology, Semicond. Sci. Tech. 26, 014036 (2011) – DOI: 10.1088/0268-1242/26/1/014036

[2] http://www.ifkp.tu-berlin.de/menue/arbeitsgruppen/agkneissl/forschung/parameter/en/

[3] “UV LED – technology, Manufacturing and application Trends“, Yole Développement (2015)

[4] J. Rass, T. Kolbe, N. Lobo-Ploch, T. Wernicke, F. Mehnke, C. Kuhn, J. Enslin, M. Guttmann, C. Reich, A. Mogilatenko, J. Glaab, C. Stoelmacker, M. Lapeyrade, S. Einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, High-power UV-B LEDs with long lifetime, Proc. SPIE 9363, 93631K-1 (2015) – DOI: 10.1117/12.2077426

[5] J. Glaab et al.: eingereicht bei J. Appl. Phys. (2015)

[6] M. Schreiner, J. Martínez-Abaigar, J. Glaab, M. Jansen, UV-B Induced Secondary Plant Metabolites, Optik & Photonik 9, 34-37 (2014) – DOI: 10.1002/opph.201400048

Kontakt
Dr. Sven Einfeldt

Ferdinand-Braun-Institut Berlin
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
 

Anwendungen der UVB LED: http://www.fbh-berlin.de

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