Effiziente UVC-LEDs durch Graphen

Es tötet Keime rückstandsfrei und zuverlässig: UV-Licht wird zur Desinfektion in Laboren und Praxen eingesetzt oder um Wasser aufzubereiten. Bis dato braucht es hierzu Quecksilberlampen, die sind jedoch teuer, sperrig und giftig.

Spezielle Leuchtdioden (LEDs), die UVC-Licht abgeben, sind vielversprechend, arbeiten aber bisher wenig effizient. Ingenieuren der UDE ist es nun gelungen, Graphen direkt in solche Bauteile zu integrieren. Diese transparente, atomar dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen macht die UVC-LEDs deutlich effizienter. Advanced Materials berichtet.

LEDs, die als Leuchtmittel Wohnungen und Geschäfte erhellen, wandeln nahezu 100 Prozent der elektrischen Energie in Licht um. UVC-LEDs hingegen setzen nur einen geringen Teil der elektrischen Energie in das zur Desinfektion geeignete ultraviolette Licht um. Ihre Effizienz liegt lediglich im einstelligen Prozentbereich. Je nach Bauweise der Dioden hat dies unterschiedliche Ursachen.

In der Standardbauweise, bei der das extrem kurzwellige Licht aus der Oberseite der LED austritt, ist die Stromverteilung im Bauteil der kritische Punkt: Der Strom muss möglichst großflächig eingespeist werden, gleichzeitig sollte das hierzu verwendete Material das UVC-Licht durchlassen.

In der Flip-Chip-Bauweise, bei der das Licht aus der Rückseite der LED emittiert wird, muss zwischen einer spiegelnden Schicht und dem Halbleiter ein großer elektrischer Widerstand überwunden werden. Die dafür benötigte Betriebsspannung von zum Teil mehr als 10 Volt verringert die Effizienz der LED erheblich. Da der Markt für UVC-LEDs riesig ist, wird weltweit an der Technologie geforscht.

Den Ingenieuren um die beiden Erstautorinnen Johanna Meier und Hehe Zhang aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gerd Bacher ist es nun gelungen, Graphen direkt auf den LED-Wafern abzuscheiden und in die Bauteile zu integrieren. Maßgeblich dafür waren die Entwicklungsarbeiten zur Graphenabscheidung im internationalen Graduiertenkolleg 2D-MATURE. Das hier genutzte Verfahren, die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, findet bei niedrigen Temperaturen statt und ist daher bauelementschonend und günstig.

Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit fungiert Graphen in der Standardversion der UVC-LEDs als Stromverteilungsschicht, während es bei der Flip-Chip-Variante den ausgleichenden Kontakt zwischen Aluminiumspiegel und Halbleiter herstellt. In beiden Bauweisen steigert es so die Effizienz der LEDs deutlich.

"Was uns hier gelungen ist, stellt in zweierlei Hinsicht einen Durchbruch dar", erläutert Meier. "Zum einen konnten wir zeigen, dass Graphen in guter Qualität direkt in die Prozesskette von UVC-LEDs integriert werden kann. Zum anderen stellt die Verwendung von Graphen in UVC-LEDs einen disruptiven Ansatz dar, mit dem wir die Effizienz solcher LEDs steigern können. Was wir hier im Labormaßstab erfolgreich gezeigt haben, werden wir nun unter Industriebeteiligung fortführen und marktreif machen." Die Abscheidung von Graphen auf funktionalen Substraten wird im Graduiertenkolleg 2D-MATURE weiterentwickelt. Dafür wird aktuell die nächste Doktorandengeneration gesucht - der nächste Durchbruch wartet sicher bereits.

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Quelle: Universität Duisburg-Essen