Halbleiterforschung Leistungsstarke grüne LED mit 147 Lumen pro Watt

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Sie strahlt heller als bisherige grüne LEDs: In einem Forschungsprojekt hat Osram Opto Semiconductor auf Basis von Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) zwei grün-emittierende LED-Prototypen entwickelt.

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LED zeigen einen deutlichen Effizienzabfall im grünen Spektralbereich – das sogenannte Green Gap-Phänomen.
LED zeigen einen deutlichen Effizienzabfall im grünen Spektralbereich – das sogenannte Green Gap-Phänomen.
(Osram Opto Semiconductor)

Im Rahmen der vom BMBF geförderten „LED-Leitmarktinitiative“ hat die Arbeitsgruppe „Effiziente LEDLösungen mit hohen Farbwiedergabewerten“ im von Osram Opto Semiconductors geleiteten Hi-QLED-Projekt zwei wegweisende Prototypen grüner Leuchtdioden entwickelt.

Herkömmliche grüne LED weisen bei einer Wellenlänge von mehr als 500 nm einen deutlichen Abfall der Lichtausbeute, dem sogenannten Green Gap, auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde eine schmalbandige grüne LED mit einer Rekordlichtausbeute von 147 lm/W bei einer Chipgröße von 1 mm² und einer Stromstärke von 350 mA und einer Stromdichte von 45 A/cm² entwickelt.

Höhere Stromdichte und bessere Effizienz

Bei dieser Stromdichte besitzt die LED eine zentrale Wellenlänge von 530 nm und eine Vorwärtsspannung von 2,93 V. Die entscheidenden Faktoren für den Forschungserfolg waren eine Reduzierung der Ladungsträgerdichte in den lichtemittierenden Schichten sowie eine signifikante Verbesserung der Materialqualität. Durch die geringere Abhängigkeit der Effizienz vom Betriebsstrom im Vergleich zu konventionellen grünen LED zeigt der LED-Prototyp bei höheren Stromdichten verbesserte Effizienzen und erreicht 338 Lumen bei 125 A/cm².

„InGaN-basierende LED weisen mit etwa 35 nm eine deutlich schmalbandigere Emission auf als auf Phosphorkonversion basierende grüne LED. Damit ist das Forschungsergebnis gerade für besonders effiziente Projektionssysteme interessant, die eine breite Farbraumabdeckung benötigen“, betont Dr. Andreas Löffler, Projektleiter bei Osram Opto Semiconductors. Denn: Je besser die Abdeckung des Farbraums, umso hochwertiger und lebendiger ist das wiedergegebene Bild.

Weniger spektrale Breite, mehr Lichtausbeute

Spielt die spektrale Breite der LED für die Anwendung keine entscheidende Rolle, so kommt der zweite im Projekt verfolgte Ansatz für eine neue, noch effizientere grüne LED mit folgenden Rekordwerten zum Tragen: 209 lm/W (210 lm) bei einer Chipgröße von 1 mm², einer mittleren Wellenlänge von 540 nm, einer Vorwärtsspannung von 2,88 V und einer Stromstärke von 350 mA (Stromdichte 45 A/cm²).

Bei einer Erhöhung der Stromdichte auf 125 A/cm² wurde sogar ein Lichtstrom von über 500 lm erreicht – bei einer für diese Stromdichte hohen Effizienz von 160 lm/W. Die maximale Effizienz der LED beträgt 274 lm/W bei 1,5 A/cm². Hinter diesen Leistungsdaten steckt laut Osram-Entwicklungsingenieur Dr. Thomas Lehnhardt das Zusammenspiel von Chip- und Konvertertechnologien: „Kontinuierlich weiterentwickelte blaue LED-Chips, eine optimierte Anregungswellenlänge und die Steigerung des Umwandlungsgrades des Phosphorkonverters sind die Erfolgskombination der neuen LED.“

Noch sind die Rekorddaten der beiden LED-Prototypen reine Entwicklungsdaten. Es wird nach Abschluss des Projektes noch Zeit erfordern, auf dieser Basis Produkte zu entwickeln, die in Preis und Performance sowie für die Volumenproduktion optimiert sind.

Bereits 2012 hat Osram Opto Semiconductor eine grüne LED vorgestellt, die vor allem in mobilen Projektoren eines Smartphones verwendet werden kann.

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