Ausgewählte Kapitel der Festkörperphysik GaN-basierte leds: Physikalische Grundlagen und Bauelemente



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Ausgewählte Kapitel der Festkörperphysik

GaN-basierte LEDs: Physikalische 

Grundlagen und Bauelemente

Toni Sembdner

Abstract:

In dieser Ausarbeitung geht es um die grundlegende Funktionsweise von LEDs. Dabei wird 

insbesondere auf die GaN-basierten LEDs, deren Aufbau, Bandstruktur sowie Defektdichte 

eingegangen. Außerdem werden einige Methoden zur Herstellung von Weißlicht-LEDs basierend 

auf GaN-LEDs erläutert.



Überblick:

1. Einleitung ...................................................................................................... 2

2. Physikalische Grundlagen der LED .............................................................. 3

 2.1. p-n-Übergang ........................................................................................ 3

 2.2. Diodenkennlinie .................................................................................... 4

 2.3. Doppel-Heterostruktur .......................................................................... 5

 2.4. Auskoppeleffizienz, interner und externer Quantenwirkungsgrad ....... 7

 3. GaN-basierte LEDs ....................................................................................... 8

 3.1. Geschichte ............................................................................................. 9

 3.2. Aufbau und Bandstruktur ...................................................................... 10

 3.3. Substrat und Defekte ............................................................................. 11

 3.4. Flip Chip und Thin Film Flip Chip LEDs ............................................. 12

 4. Weißlicht-LEDs ............................................................................................. 13

 4.1. Luminescence Conversion .................................................................... 14

 4.2. Phosphor Down-Conversion ................................................................. 15

 4.3. Color Mixing ......................................................................................... 16

 5. Zusammenfassung ......................................................................................... 17

1. Einleitung:

Licht emittierende Dioden (LEDs) sind zwar schon seit den 60ern erhältlich, haben aber bis heute 

eine erstaunliche Entwicklung hinter sich. Dank der Fortschritte in der Materialtechnologie gelang 

es die Leuchteffizienz bis heute praktisch zu vertausendfachen (siehe: Abbildung 1). Waren damals 

in erster Linie nur rote und orange LEDs möglich bzw. effizient genug, kann man zur Zeit mit 

LEDs das gesamte sichtbare Spektrum abdecken. Wesentlich dazu beigetragen haben nicht zuletzt 

die Gallium-Nitrid-(GaN-)basierten grünen und blauen LEDs die es erst seit den 90ern gibt.

LEDs finden heute fast überall Verwendung, wo es um Beleuchtung geht, zum Beispiel bei 

Verkehrsampeln und -leitsystemen, bei der Autobeleuchtung (d.h. bei der Innenbeleuchtung als auch 

den Scheinwerfern), bei der Raumbeleuchtung und bei  Displays vom Handy bis zu großen 

Flachbildschirmen. Die Entwicklung von Weißlicht-LEDs, die auf einer blauen GaN-LED basieren, 

spielt dabei eine besondere Rolle, da diese in Zukunft die Glühbirnen als herkömmliche 

Lichtquellen ablösen könnten, da sie weniger Strom verbrauchen und eine viel größere Lebensdauer 

haben.



2. Physikalische Grundlagen der LED:

2.1 p-n-Übergang

Um die grundlegende Funktionsweise einer Leuchtdiode zu verstehen, betrachtet man zunächst den 

einfachen p-n-Übergang. Abbildung 2 zeigt einen p-n-Übergang im thermischen Gleichgewicht, das 

heißt ohne angelegte Spannung. Zunächst befinden sich die beiden Halbleiter räumlich voneinander 

getrennt. N-dotiert bedeutet, dass ein Elektronenüberschuss vorliegt und p-dotiert, dass ein 

Elektronenmangel, also ein Überschuss an „Löchern“, vorliegt. Aufgrund dieser unterschiedlichen 

Dotierungen befindet sich das Ferminiveau beim p-dotierten Halbleiter nahe des Valenzbandes und 

beim n-dotierten Halbleiter nahe des Leitungsbandes. Bringt man nun diese beiden Halbleiter in 

Kontakt, würden die Ferminiveaus auf beiden Seiten unterschiedlich liegen. Da diese im 

thermischen Gleichgewicht allerdings gleich sein müssen, verschieben sich die Bänder derart, dass 

dieses gewährleistet ist, was zur typischen Bandstruktur des p-n-Übergangs führt. Das bewirkt, dass 

im p-Gebiet die Akzeptoren unter das Ferminiveau gedrückt (also mit Elektronen besetzt) werden 

und im n-Gebiet die Donatoren über das Ferminiveau gedrückt (also entleert bzw. positiv geladen) 

werden. Die Elektronen und Löcher sind „frei“ bewegliche Ladungsträger, daher diffundieren 

Elektronen ins p-Gebiet und Löcher ins n-Gebiet hinein und es stellt sich eine Diffusionsspannung 

ein (U


D

). Andererseits sorgt die sich aus den ionisierten Störstellen ergebende ortsfeste Raumladung 

am p-n-Übergang für ein elektrisches Feld und deshalb für Feldströme von Elektronen und Löchern. 

Abbildung 1: Entwicklung der LEDs von 1960 bis 2000 [4]

Abbildung 2: Bandstruktur eines p-n-Übergangs [5]



Im thermischen Gleichgewicht kompensieren sich die Diffusionsströme und Feldströme gerade, 

sodass die Ladungsträgerkonzentration genau am Übergang gleich Null ist. Um diese dort zu 

erhöhen, legt man eine äußere Spannung in Durchlassrichtung an, also positive Spannung am p-

Kontakt und negative am n-Kontakt.

Durch das Anlegen der konstanten Spannung wird das thermische Gleichgewicht gestört und die 

Verhältnisse am p-n-Übergang können als stationärer Zustand nahe am thermischen Gleichgewicht 

angesehen werden. Anstatt des Ferminiveaus kann ein Quasi-Ferminiveau definiert werden, das sich 

für Elektronen und Löcher aufspaltet (siehe: Abbildung 3). Die angelegte Spannung in 

Durchlassrichtung bewirkt zudem, dass die Potentialbarriere für Elektronen und Löcher verringert 

wird  und sich die Ladungsträgerkonzentration am p-n-Übergang erhöht. Dadurch können mehr 

Elektronen und Löcher miteinander rekombinieren. Gewünscht ist dabei die strahlende 

Rekombination unter Emission eines Photons, dessen Wellenlänge direkt vom Bandabstand 

abhängt. Unerwünscht ist die nichtstrahlende Rekombination unter Emission von Phononen 

(quantisierte Gitterschwingungen), die zu Wärmeentwicklung führen.



2.2. Diodenkennlinie

Wie die angelegte Spannung vom fließenden Strom bei Dioden abhängt, zeigt die Strom-

Spannungs-Kennlinie (siehe: Abbildung 4). Zu Sehen ist dabei, dass der Strom ab einer bestimmten 

Spannung (Schleusenspannung) erst exponentiell zunimmt und dann geradlinig ansteigt. Die 



Abbildung 3: p-n-Übergang unter Spannung in 

Durchlassrichtung [5]

Abbildung 4: Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener 

Halbleiter in Durchlassrichtung [1]


Schleusenspannung hängt von der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials ab, da diese erst 

überwunden werden muss. Das heißt, je größer die Bandlücke ist, desto mehr Spannung wird 

benötigt bevor Strom fließen kann. 

Dargestellt ist allerdings nur die Spannung in Durchlassrichtung, da Leuchtdioden generell nur in 

Durchlassrichtung betrieben werden. In Sperrrichtung stellt sich zunächst ein von der angelegten 

Spannung unabhängiger Sperrstrom ein. Ab einer bestimmten Spannung (Durchbruchspannung) 

sind die Bänder dann so weit verbogen, dass die Ladungsträger anfangen, durch die 

Potentialbarriere zu „tunneln“ und es zu einem lawinenartigen Anstieg des Stroms kommt. Der 

Verlauf einer solchen Kennlinie wird wesentlich durch mehrere Faktoren beeinflusst (siehe: 

Abbildung 5).

Zum einen verändert sich der Verlauf abhängig vom seriellen und zum anderen vom parallelen 

Widerstand der verwendeten Bauelemente. Der serielle Widerstand beeinflusst den Anstieg des 

Stromes und der parallele Widerstand sorgt für einen Stromfluss noch bevor die sog. Turn-On-

Voltage („Einschaltspannung“) überschritten ist. Der Grund für diese Widerstände sind die Defekte 

im Halbleiter, denn die sorgen für Leckströme, die in einem parallelen Widerstand resultieren. 

Außerdem erhöhen Defekte den Widerstand der einzelnen GaN-Schichten und somit den parallelen 

Widerstand.

2.3 Doppel-Heterostruktur

Um die Effizienz von Leuchtdioden grundlegend zu steigern, verwendet man die so genannte 

Doppel-Heterostruktur. Der Unterschied zwischen einer Homo- und einer Heterostruktur besteht 

darin, dass bei der Heterostruktur zwei verschiedene Halbleiter mit unterschiedlicher Dotierung 

aufeinander aufgebracht werden. Eine Doppel-Heterostruktur besteht also aus einer 

Halbleiterschicht mit einer kleineren Bandlücke, die sich zwischen zwei Schichten mit einer 

größeren Bandlücke befindet. Das hat zur Folge, dass sich beide Ladungsträger in der mittleren 

Schicht sammeln, da die angrenzenden größeren Bandlücken als Potentialbarrieren funktionieren. 

Durch die wesentlich größere Konzentration der Ladungsträger in einem kleineren Bereich als bei 

der Homostruktur, bei der sich Elektronen und Löcher auf einen weiteren Bereich verteilen, kommt 

es auch wesentlich häufiger zu Rekombinationsprozessen unter Emission von Photonen, deren 

Wellenlänge von der Bandlücke dieser so genannten aktiven Zone abhängt (siehe: Abbildung 6).



Abbildung 5: Diodenkennlinie beeinflussende Widerstände [1]


2.4 Auskoppeleffizienz, interner und externer Quantenwirkungsgrad

Um nun die Effizienz von Leuchtdioden effektiv zu bestimmen, wurden mehrere Kenngrößen 

definiert: Interner Quantenwirkungsgrad (IQE), Auskoppeleffizienz und externer 

Quantenwirkungsgrad (EQE). Der IQE beschreibt den Anteil des Diodenstroms, der Lumineszenz 

erzeugt und ergibt sich aus:

Anzahl erzeugter Photonen

Anzahl der LED zugeführten Elektronen

Die Auskoppeleffizienz beschreibt den Anteil der erzeugten Photonen, die den Halbleiter auch 

anschließend verlassen:

Anzahl aus HL emittierte Photonen

Anzahl erzeugter Photonen

Zuletzt beschreibt der EQE den Anteil des Diodenstroms, der aus dem Halbleiter emittierte 

Photonen erzeugt:

Anzahl aus HLemittierte Photonen

Anzahl der LED zugeführten Photonen

Der EQE ergibt sich aus dem Produkt des IQE und der Auskoppeleffizienz. Er ist immer kleiner als 

der IQE, denn neben der internen Reabsorption führt vor allem die totale interne Reflexion dazu, 

dass die Auskoppeleffizienz nie 100% beträgt. Der Brechungsindex von Halbleitern ist deutich 

größer als der von Luft, weshalb nur Photonen den Halbleiter verlassen können, die die Grenzfläche 

in einem Winkel treffen, der kleiner ist als 



C

(siehe: Abbildung 7).

Dieser kritische Winkel für die Totalreflexion an Grenzflächen ergibt sich aus den Brechungsindizes 

des Halbleiters ( n

1

) und des an ihn angrenzenden Materials ( n



2

):

Abbildung 6: Diode mit Homostruktur (links) und Heterostruktur (rechts) in 



Durchlassrichtung [1]

Abbildung 7: kritischer Winkel an Grenzfläche [1]




C

=

arcsin



n

2

n

1

Für die Grenzfläche von GaN mit einem Brechungsindex von 2,5 und Luft mit einem 



Brechungsindex von 1 ergibt sich somit ein kritischer Winkel von 

C

=

23,6 ° . Photonen, die die 



Grenzfläche in einem größeren Winkel treffen werden reflektiert und können den Halbleiter nicht 

verlassen.

Um die interne Reflexion zu verringern gibt es in der Praxis mehrere Möglichkeiten. Zum einen 

kann man eine Epoxidschicht auf den Halbleiter bringen, die ihn nicht nur schützt sondern einen 

Brechungsindex von 1,5 besitzt. Die Lichtauskopplung wird dadurch aber nur geringfügig 

verbessert. Zum anderen kann man die Form des Halbleiters so verändern, dass weniger Photonen 

die Grenzfläche in einem großen Winkel treffen, indem man ihn z.B. rund (siehe: Abbildung 8) oder 

mit spitzen Ecken gestaltet (siehe: Abbildung 9) . Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die 

Oberfläche so zu bearbeiten, dass die Grenzfläche nicht mehr glatt verläuft, sie praktisch angeraut 

wird. Dadurch kann eine wesentliche Steigerung der Auskoppeleffizienz erzielt werden.



3. GaN-basierte LEDs:

3.1 Geschichte

Die Geschichte von Gallium-Nitrid(GaN)-LEDs ist noch vergleichsweise jung. Erstmals wurde 

1986 von Amano und Akasi GaN mit einer Nukleationsschicht auf ein Saphirsubstrat ( Al

2

O

3



abgeschieden. Drei Jahre später gelang es ihnen als erste, GaN erfolgreich mittels Magnesium zu p-



dotieren. Im Jahre 1991 begann daraufhin Shuji Nakamura in Japan mit der Entwicklung blauer 

LEDs und bereits ein Jahr später brachte sein damaliger Arbeitgeber Nichia die ersten blauen, auf 

GaN basierenden LEDs auf den Markt.

Das Interesse an Gallium-Nitrid ist deshalb so groß, weil es eine große Bandlücke von 3,4 eV 

besitzt und theoretisch als ternäre Verbindungen InGaN und AlGaN (mit Indium-Nitrid und 

Alluminium-Nitrid mit Bandlücken von 0,7 eV und 6,2 eV) den Bereich von Ultraviolett (UV) bis 

Infrarot (IR) und somit den gesamten sichtbaren Spektralbereich abdecken könnte. Allerdings hängt 

zum Beispiel der Stark-Effekt von dem Halbleitermaterial ab, der die relative Verschiebung der 

Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons gegenüber dem Kern unter Einfluss eines äußeren 

elektrischen Feldes beschreibt. Das daraufhin in Feldrichtung induzierte Dipolmoment hat eine 

Energieabsenkung und somit eine geringere Effizienz von LEDs zur Folge und da der Stark-Effekt 

signifikant zunimmt, je mehr Indium-Nitrid in den GaN-Halbleiter gewachsen wird, sind mit 



Abbildung 8: schematische Struktur 

einer zylindrisch geformten LED [1]

Abbildung 9: Struktur einer GaP-

basierten LED in Pyramiden-Form [1]


diesem Material „nur“ LEDs von UV bis grün zu realisieren. Grüne InGaN-LEDs sind dabei schon 

wesentlich ineffizienter als blaue und violette-LEDs.

Ein weiterer Vorteil von GaN, InN und AlN ist, dass sie Halbleiter mit einer direkten Bandlücke 

sind. Die erste blaue LED basierte hingegen auf Silizium-Carbid (SiC), was ein indirekter 

Halbleiter ist. Diese daher um ein vielfaches ineffizientere LED kam zwar schon in den 70ern auf 

den Markt, konnte sich aber aufgrund eben dieser geringen Effizienz nie wirklich durchsetzen.



3.2 Aufbau und Bandstruktur

Abbildung 10 zeigt einen typischen Aufbau einer GaN-LED. Abgeschieden auf ein Substrat wird 

dabei zunächst eine GaN-Schicht, die zur Überwindung der Gitterfehlanpassung zwischen GaN und 

Saphir nötig ist. Auf dieser sehr verspannten Schicht befindet sich das n-dotierte GaN, auf dem sich 

auch der n-Kontakt befindet. Über dem n-dotierten Bereich befinden sich mehrere so genannte 

Quantenfilme, das heißt es befinden sich mehrere sehr dünne Schichten, abwechselnd aus InGaN 

und GaN, übereinander. In diesem Bereich findet auch die Rekombination der Ladungsträger statt. 

Darüber befindet sich noch eine AlGaN-Schicht, bevor das p-dotierte GaN kommt, auf dem sich der 

p-Kontakt befindet.

Abbildung 10: Aufbau einer GaN-LED

Sapphire Substrate

n-

p-



Warum dieser Aufbau so effizient ist, sieht man am besten beim Betrachten der Bandstruktur (siehe: 

Abbildung 11). Dabei befindet sich links der p- und rechts der n-dotierte Bereich. Dazwischen 

liegen die Quantenfilme, wobei die GaInN-Quantenfilme eine geringere Bandlücke haben als die 

GaN-Barrieren. Infolgedessen sammeln sich die Ladungsträger in diesen schmalen InGaN-

Schichten, bei denen die geringe Dicke eine höhere Ladungsträgerdichte und somit eine höhere 

Anzahl von Rekombinationsprozessen unter Emission von Photonen bedingt. Die AlGaN-Schicht 

(links) dient mit ihrer wesentlich größeren Bandlücke als „Elektronenblocker“. Sie wird so dotiert

dass sie einerseits die Elektronen davon abhält, sich weiter Richtung p-Kontakt zu bewegen, 

andererseits hindert sie die Löcher nicht daran, in die InGaN-Schicht zu gelangen (siehe: Abbildung 

11(b)).


3.3 Substrat und Defekte

Grundsätzlich kann GaN auf mehreren Substraten abgeschieden werden, beispielsweise SiC, Spinell 

MgAl

2

O

4

) oder Saphir ( Al



2

O

3

). Auch wenn Saphir eine sehr hohe Gitterfehlanpassung von 



16,1 % hat , wird es in der Praxis deshalb hauptsächlich verwendet, weil es wesentlich billiger ist, 

als beispielsweise Spinell. Außerdem kann die Transparenz bei grünem und blauem Licht für die 

Lichtauskopplung zum Vorteil genutzt werden (siehe: 3.4). Ein Nachteil neben der 

Gitterfehlanpassung ist allerdings, dass es ein Isolator ist. Deshalb ist man gezwungen, die in 

Abbildung 10 gezeigte typische „Treppenstruktur“ bei GaN-LEDs zu verwenden.

Das Abscheiden von GaN auf Fremdsubstraten bringt ein wesentliches Problem mit sich, nämlich 

eine hohe Anzahl an Defekten. Die Substrate haben neben ihrer unterschiedlichen Gitterkonstante 

außerdem noch einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zu GaN, 

was dazu führt, dass der Halbleiter, nachdem er bei ca. 1000 °C aufgewachsen wurde, sich beim 

Abkühlen zusätzlich verspannt. Somit erreicht man heute bei GaN eine Defektdichte von gerade 

mal 10

7



10

8

cm

2

, wohingegen bei den meisten anderen Halbleitern, beispielsweise AlGaInP, 



Defektdichten von 10

2



10

3

cm

2

erreicht werden. GaN-LEDs besitzen trotz ihrer hohen 



Defektdichten eine sehr gute Leuchteffizienz. LEDs aus anderen Halbleitern leuchten bereits bei 

mehreren 1000 Defekten pro cm

2

kaum noch. Am vorteilhaftesten wäre natürlich das Verwenden 



von GaN-Substraten, was die Defektdichte um einige Größenordnungen verringern würde. 

Allerdings sind diese Substrate für die Massenproduktion von GaN-LEDs viel zu teuer und in solch 

großen Mengen kaum verfügbar, weshalb sie in der Praxis so gut wie keine Anwendung finden. 

Abbildung 11: Schematische Bandstruktur von GaN/InGaN 

Quantenfilmen [1]



3.4 Flip Chip und Thin Film Flip Chip LEDs

Betrachtet man den Aufbau der LED, stellt sich die Frage, wie das Licht am effizientesten 

ausgekoppelt werden kann, da der p-Kontakt einen Teil der Oberfläche bedeckt, an dem kein Licht 

den Halbleiter verlassen kann. Eine Möglichkeit bietet dabei der Flip Chip (FC), bei dem der LED-

Chip umgedreht wird, sodass die Kontakte unten liegen (siehe: Abbildung 12).

Der Vorteil der FC-LED besteht einerseits in einer hohen Auskoppeleffizienz, da die gesamte 

Oberfläche des Substrates zur Lichtauskopplung genutzt werden kann, wobei die Kontakte 

verspiegelt werden. Andererseits ermöglicht dieser Aufbau eine wesentlich bessere 

Wärmeableitung, die über die Kontakte erfolgt, denn Saphir ist nicht der beste Wärmeleiter.

Um die Auskoppeleffizienz darüber hinaus zu steigern, kann das Substrat wieder entfernt werden, 

wie man es beim Thin Film Flip Chip (TFFC) macht (siehe: Abbildung 13). Außerdem wird bei der 

TFFC-LED die Oberfläche des des GaN angeraut, was im Ergebnis eine deutlich bessere 

Lichtauskopplung bewirkt.

Ein weiterer Vorteil der FC- und TFFC-LEDs ist, dass keine Drähte mehr nötig sind, um die 

Kontakte zu verbinden, was zudem Platz spart um zum Beispiel eine Linse direkt darüber 

anzubringen.

Das Design der LED ist natürlich von der Anwendung abhängig. Für den normalen Gebrauch reicht 

Abbildung 12: Flip Chip LED Design [2]

Abbildung 13: Thin Film Flip Chip Design [2]



das herkömmliche Design völlig aus (siehe: Abbildung 14 oben links). Nur wenn man möglichst 

effiziente LEDs benötigt, kommt man auf das Design der aufwendigeren und teureren „High Power 

LEDs“ zurück (siehe: Abbildung 14 rechts). Da diese LEDs in der Regel auch mit höheren Strömen 

betrieben werden, spielt beim Design die Wärmeabführung der größeren Verlustleistung eine 

wesentlich wichtigere Rolle. Die Lebensdauer von High Power LEDs beträgt im Vergleich zu 

herkömmlichen LEDs mit 100.000 Stunden eben aufgrund der höheren Ströme nur 15.000 bis 

30.000 Stunden.

4. Weißlicht-LEDs:

Es gibt mehrere Methoden um Weißlicht-LEDs herzustellen und abgesehen von Weißlicht-LEDs 

aus organischen LEDs (OLEDs) benötigen alle Verfahren GaN-basierte LEDs, wobei es drei 

Möglichkeiten gibt: Luminescence Conversion (LUCO), Phosphor Down-Conversion und Color 

Mixing.

4.1 Luminescence Conversion

Dieses Verfahren basiert auf einer blauen GaN-LED, über der sich ein fluoreszierender Leuchtstoff 

befindet. Dieser Leuchtstoff absorbiert einen Teil des blauen Lichts und emittiert daraufhin gelbes 

Licht (siehe: Abbildung 15). Das blaue und gelbe Licht wird dann zusammen vom menschlichen 

Auge als weißes Licht wahrgenommen.

Abbildung 14: Aufgebaute LEDs im Gehäuse [2]

Abbildung 15: Aufbau einer LUCO-LED [1]



Abbildung 16 zeigt die Emissionsspektren der blauen LED (Peak bei ca. 450 nm), das wie bei allen 

LEDs ca. 20-50 nm breit ist, und des Leuchtstoffes, der ein breiteres Spektrum mit dem Maximum 

im Gelben emittiert. Diese Methode, Weißlicht-LEDs herzustellen wird fast immer verwendet, da 

sie am billigsten und am einfachsten ist. Ein kleiner Nachteil besteht allerdings darin, das die Farbe 

des Lichts geringfügig von der Betrachtungsrichtung abhängt, da durch eine dickere oder dünnere 

Phosphor-Schicht auch mehr bzw. weniger gelbes Licht emittiert wird. Die aktuellsten LEDs dieses 

Typs haben eine Auskoppeleffizienz von 90%, eine IQE von 40%, eine EQE von 36% und eine 

Leuchteffizienz von 61 lm/W.



4.2 Phosphor Down-Conversion

Der Aufbau dieser LEDs ist fast der selbe, wie bei den LUCO-LEDs. Der Unterschied besteht nur 

darin, dass hier mit einer ultravioletten GaN-LED eine Phosphor-Schicht angeregt wird, die ein 

breites Spektrum an Farben emittiert. Rot, grün und blau nimmt dann das Auge wieder als weiß 

wahr. Der Grund, warum diese Methode in der Praxis keine Anwendung findet, liegt in der geringen 

Effizienz der hier benötigten Leuchtstoffe.



4.3 Color Mixing

Dieses Verfahren basiert auf der Idee, weißes Licht direkt aus roten, grünen und blauen LEDs zu 

gewinnen. Dazu werden LEDs dieser Farben unter einer Schicht angebracht, die dazu dient, das 

Licht  zu „mischen“. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das Licht dadurch beliebig mischbar ist, 

das heißt, dass man z.B. ein wärmeres Licht durch Erhöhung des Rot-Anteils erreichen kann. Ein 

weiterer Vorteil besteht darin, dass die Farben, die man dadurch erhält wesentlich klarer und 

kräftiger wirken, als bei der Verwendung von Leuchtstoffen. Nachteilig wirken sich allerdings die 

vergleichsweise hohen Produktionskosten aus, da für eine Weißlicht-LED mehrere LEDs benötigt 

werden. Außerdem stellen die unterschiedlichen Effizienzen und Lebensdauern der LEDs ein 

Problem dar. Die grünen GaN-basierten LEDs sind nämlich am schwächsten, weshalb davon 

doppelt so viele benötigt werden wie von roten und blauen und die unterschiedlichen Lebensdauern 

bedingen ein regelmäßiges Abstimmen der LEDs. Trotzdem könnte dieses Verfahren in Zukunft 

immer mehr Anwendungen finden, da mit rot, grün und blau das gesamte Spektrum an sichtbaren 

Farben abgedeckt werden kann (siehe: Abbildung 17).



Abbildung 16: Typisches Spektrum einer LUCO-LED [1]


5. Zusammenfassung:

Eine LED basiert auf einem in Durchlassrichtung betriebenen p-n-Übergang, wobei die Effizienz 

durch Verwendung einer Doppel-Heterostruktur wesentlich erhöht werden kann. Die Herstellung 

der noch relativ neuen GaN-basierten LEDs ist zwar aufgrund des Aufwachsens auf einem 

Fremdsubstrat etwas schwieriger, was sich vor allem in der großen Defektdichte widerspiegelt, aber 

die hohe Effizienz wird dadurch kaum beeinträchtigt und man kann mit ihnen den Bereich von 

violett bis grün abdecken. Das wichtigste Anwendungsgebiet für GaN-LEDs sind allerdings 

Weißlicht-LEDs, bei denen entweder mit einer blauen LED und einem fluoreszierenden Leuchtstoff 

oder aber mit mehreren verschieden farbigen LEDs gearbeitet wird. Diese Weißlicht-LEDs könnten 

in Zukunft die Glühbirnen ersetzen, da sie wesentlich stromsparender sind und eine Lebensdauer 

von bis zu 100.000 Stunden besitzen.

Literatur:

- [1] E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes (Cambridge Univ. Press)

- www.LightEmittingDiodes.org

- [2] Philips Lumileds Lightning Company, IMAPS November 2007

- [3] www.efg2.com/lab

- [4] LED-Grundlagen (.pdf), apl. Prof. Dr. D. J. As



- [5] FE_SS07_Skript_Teil11 (.pdf)

Abbildung 17: Darstellung des Farbdreiecks [3]

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