Osram erreicht Rekordwerte bei grünen LED

Von Osram Opto Semiconductors geführtes Förderprojekt "Hi-Q-LED" entwickelt Leuchtdioden mit extrem hoher Lichtausbeute und reduziertem Effizienzabfall

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte „Hi-Q-LED"-Projekt hat wegweisende Fortschritte bei grünen Leuchtdioden erzielt. So konnte das sogenannte „Green Gap"-Phänomen – der markante Effizienzabfall von LED im grünen Spektralbereich – signifikant verringert werden. Ergebnis ist eine grün-emittierende LED, basierend auf Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), die bei einer Wellenlänge von 530 Nanometern (nm) und einer spektralen Bandbreite von 35 nm eine Rekordlichtausbeute von 147 Lumen pro Watt (lm/W) erreicht. Zudem wurde durch die Kombination aus einem blauen Chip mit einem Phosphorkonverter eine grüne LED entwickelt, die eine Rekordlichtausbeute von über 200 lm/W aufweist.

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

Grüne InGaN-LED schließt „Green Gap"

Herkömmliche grüne LED weisen bei einer Wellenlänge von mehr als 500 nm einen deutlichen Abfall der Lichtausbeute – das sogenannte „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 (Stromdichte 45 A/cm²) entwickelt. Bei dieser Stromdichte besitzt die LED eine zentrale Wellenlänge von 530 nm und eine Vorwärtsspannung von 2,93 Volt (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 (lm) 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.

Effizienzrekord von >200 lm/W durch grüne Phosphor-Vollkonversion

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 1mm², 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 außergewöhnlichen 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 Rekord-LED."

Vom Prototypen zum Serienprodukt

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.