Elektronisch erzeugte Informationen in Lichtemissionen umwandeln und umgekehrt – was abstrakt klingt, ist unter dem Begriff Optoelektronik – oder auch Optronik – längst konkreter Bestandteil des täglichen Lebens geworden.
Gleich ob Laser, Bildschirme, Rechner oder optische Speicher, sie alle setzen auf Bauteile, die Optik und Halbleiterelektronik miteinander kombinieren. Die Technologie zur Erzeugung, Erfassung und Steuerung von Licht – die Optoelektronik – wird heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Die augenfälligsten optoelektronischen Bauteile sind dabei sicherlich Leuchtdioden (LED): Sie haben sich aufgrund ihrer Energieeffizienz nicht nur in der Gebäudebeleuchtung durchgesetzt, sondern sind auch in hochauflösenden Displays von Smartphones, in Fernsehgeräten, bei der Automobilbeleuchtung in der Telekommunikationsbranche oder in der industriellen Fertigung zu finden. Eine LED ist ein Halbleiterbauelement, das Licht abgibt, wenn es von elektrischem Strom durchflossen wird.
Auch wenn die großen Entwicklungssprünge in der LED-Technologie bereits gemacht wurden, so steckt immer noch Innovationspotenzial in der Technologie. So haben zum Beispiel Chemiker der Universität Jena eine fluoreszierende Aluminiumverbindung entdeckt, die die höchste bisher bekannte Quantenausbeute aufweist: Für nahezu jedes Lichtteilchen, das darauf einstrahlt, wird eines von der Substanz abgestrahlt. Davon könnte die LED-Technik profitieren. „Der bisherige Rekord für Aluminiumverbindungen liegt bei rund 70 Prozent“, erläutert Robert Kretschmer, Juniorprofessor für Anorganische Chemie der Katalyse der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Das heißt, dass bei dieser Quantenausbeute bei zehn eingestrahlten Lichtteilchen von der Substanz sieben neue ausgesendet werden. Bei unserer Verbindung wird aber fast jedes Lichtteilchen in ein neues umgewandelt.“
Desinfizieren mit Licht
Durch die COVID-19-Pandemie erfuhr ein Sektor der LED-Technologie besondere Aufmerksamkeit: Mit LEDs, die ultraviolette (UV) Strahlung emittieren, lassen sich Oberflächen, Luft und Wasser schnell, umweltschonend und ohne Chemikalien desinfizieren. Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), hat zum Beispiel UV-LED-basierte Bestrahlungssysteme entwickelt, die künftig multiresistente Krankheitserreger wie MRSA und Coronaviren wie SARS-CoV-2 direkt am Menschen hautverträglich inaktivieren können. Die Systeme sind mit jeweils 120 Leuchtdioden ausgestattet, die Licht mit einer Wellenlänge von 233 Nanometer emittieren. Dank einer optimierten Halbleiterepitaxie und Chip-Prozesstechnologie lassen sich diese Leuchtdioden der neuesten Generation mit doppelt so hohen Strömen wie bisher betreiben – sie liefern mehr als 3 Milliwatt Ausgangsleistung bei 200 Milliampere.
Neue Technologie für Displays
Auch in der Optoelektronik liegt Miniaturisierung im Trend: Beispiel Micro-LEDs. Sie sind weniger als 50 Mikrometer groß und reduzieren den Platzbedarf für die Erzeugung von Pixeln erheblich. Laut den Marktanalysten von MarketsAndMarkets soll der Markt für Micro-LEDs im Jahr 2027 21.169 Millionen US-Dollar erreichen – das entspricht einem jährlichen Wachstum von 81,5 Prozent zwischen 2021 und 2027.
Durch die Kombination von roten, grünen und blauen (RGB) Micro-LEDs können vollfarbige Mikrodisplays erzeugt werden. Gegenüber der aktuellen Display-Technologie bieten Micro-LEDs eine höhere Pixeldichte, eine längere Lebensdauer, mehr Helligkeit, eine höhere Schaltgeschwindigkeit und ein breiteres Farbspektrum. Ganz besonders zeichnet sich die Micro-LED zudem durch ihren sehr geringen Energieverbrauch aus – ein Umstand, der sie besonders für kommende Generationen kleiner Mobilgeräte mit wenig Platz für Batterien geradezu prädestiniert.
Wie herkömmliche LED werden auch Micro-LED im MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) gefertigt: Die Halbleiter werden – atomare Schicht für atomare Schicht und dabei atomlagendünn – auf das Trägermaterial aufgebracht. Allerdings sind die Anforderungen an den Produktionsprozess um ein Vielfaches höher.
Licht aus Silizium
Die Königsdisziplin der Optoelektronik ist es allerdings, Silizium und Photonik direkt zu kombinieren: So könnten zukünftige Mikrochips Signale und Informationen nicht mehr über Strom, sondern über Lichtimpulse übertragen – die keine Abwärme erzeugen und eine deutlich schnellere Datenübertragung ermöglichen würden. Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, lichtemittierende Bauteile aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. Silizium, das Arbeitspferd der Chip-Industrie, kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Form ist es für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet.
Forschern der Technischen Universität Eindhoven ist es jetzt aber gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen. „Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München. „Wenn wir die elektronische Kommunikation auf einem Chip und von Chip zu Chip optisch erledigen können, so kann das die Geschwindigkeit um einen Faktor von bis zu 1.000 erhöhen, sagt Jonathan Finley. „Darüber hinaus könnten durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.“