Forschung -

Farbvariable LEDs

In aktiven LED-Displays sind drei bis vier GaN-LEDs notwendig, um in einem Pixel das gesamte Farbspektrum abzudecken. Eine sekundäre Phosphoranregung wandelt das blaue Licht aus dem pn-Übergang von Galliumnitrid in Rot und Gelb um. Dabei bleibt allerdings ein hoher Blauanteil erhalten, der den Biorhythmus des Menschen negativ beeinflusst. Farbvariable LEDs hingegen erzeugen wärmere Farbtöne und können alle drei Grundfarben emittieren.

In einer Kooperation der Lehigh University, der West Chester University, der Osaka University und der University of Amsterdam haben Forscher eine GaN-LED-Struktur mit Europiumdotierung (Eu) entwickelt. Das Seltenerdmetall wird mithilfe metallorganischer Gasphasenepitaxie in den Halbleiter eingebracht. Das resultierende Emissionsspektrum lässt sich durch Anregung mit einem gepulsten Laser oder durch Stromeinprägung mit unterschiedlicher Einschaltdauer modifizieren. Ein Eu3+-Ion emittiert Licht mit einer Wellenlänge von etwa 620 oder 545 nm, je nach angeregtem Zustand. Die Farbe mischt sich mit der GaN-Bandkantenemission von etwa 430 nm, sodass die LED in allen drei Primärfarben ohne zusätzlichen Phosphor leuchten kann.

Bei niedrigen Stromdichten emittieren die LEDs hauptsächlich rotes Licht, da die Anregung des 5D0-Zustands in diesem Fall dominiert. Ist der Trägerstrom hoch, kommt es zu einer Entregung, und die Energie wird an das GaN abgegeben. Diese überträgt sich dann entweder ein weiteres Mal auf das Europium oder wird in der Kodotierung (Si/Mg) frei.

Simulationen der Emissionszeiten ergaben, dass sich die relative Besetzung der Energieniveau-Änderungen als Funktion des Einprägungsstroms beschreiben lässt und dass sich ein stationärer Wert für jede Stromhöhe einstellt, was auch den experimentellen Untersuchungen entspricht. Wenn die Einschaltdauer des Stroms modifiziert wird, erreicht man Farbänderungen ohne wesentliche Minderung der Farbintensität oder des Wirkungsgrads.

B. Mitchell et al.: Color-Tunablility in GaN LEDs Based on Atomic Emission Manipulation under Current Injection; ACS Photonics 6, 2019

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