Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

* Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) - rot (z. B. 665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge

* Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) - rot, orange und gelb

* Galliumphosphid (GaP) - grün

* Siliciumcarbid (SiC) - erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz

* Zinkselenid (ZnSe) - blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte

* Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) - Ultraviolett, Violett, blau und grün

* Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Fluoreszenz-Schicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.

Weiße LED

Erzeugen von weißem Licht mit einer ultravioletten oder blauen Leuchtdiode in Kombination mit Fluoreszenz-Farbstoffen (Leuchtstoffen)

Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung von weißem Licht

Weiße, bestromte LED im Querschnitt unter dem Mikroskop

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:

* Leuchtdioden verschiedener Farben oft Blau und Gelb (in zwei LEDs) oder Rot, Grün und Blau (RGB) werden so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, die LEDs räumlich nahe beieinander zu platzieren. Aus praktischen Gründen werden die verschiedenfarbigen LED-Chips oft in einem Bauteil integriert.

* Eine LED wird mit photolumineszierendem Material (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höher energetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelliges, niedriger energetisches Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Oft wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) oder eine blaue LED mit nur einem einzigen Leuchtstoff (gelb, meistens Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) kombiniert. So gefertigte Bauteile verfügen über gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra − 90). Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.

Für Beleuchtungszwecke wird aus Kostengründen fast immer die Variante mit einer Leuchtdiode in Kombination mit Leuchtstoffen verwendet; weiße LEDs bestehen meistens aus einer blauen LED mit einer darüberliegenden gelblich fluoreszierenden Schicht aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte) und der Blauanteil sichtbar ist, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.

Bei dem gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid auf eine Grundschicht aus Saphir gedampft, dann wieder abgelöst und erneut bedampft. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. In einem neuen Verfahren wird die teure Saphirschicht durch Silizium ersetzt. Eine Beschichtung aus Zirkonnitrid verhindert dabei, dass die Siliziumschicht Licht absorbiert. Die Verwendung von Zirkonnitrid wurde erst ermöglicht, indem man das Silizium zuvor mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid überzog, um die Reaktion des Siliziums mit dem Zirkonnitrid zu verhindern. Als letzte Schicht wird das Galliumnitrid aufgedampft. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den meisten roten Farbstoffen nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

RGB-LEDs hingegen erzeugen drei ziemlich ?spitze?, das heißt schmalbandige Farbanteile. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht ? die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.

Weiße LEDs werden, wie auch Leuchtstofflampen, für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt, unter anderem für "kaltes" weißes, tageslichtähnliches Licht (Farbtemperatur 5500?6000 K) und "warmes" Licht, ähnlich dem von Glühlampen (2700?3000 K).

Pastellfarben

Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trend-Produkten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Fluoreszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa ("pink") erzeugt wird. Um ein Pastell-Blau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blau-Anteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den "Farben" UV, Blau und Grün verwendet werden.

Binning

In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (englisch: Klasseneinteilung) bezeichnet.

Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten "Flux bin", die Durchlassspannung sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur die LED bei Nennstrom erzeugt.

Auch bei farbigen LEDs können die einzelnen Lichtfarben mit selektierten Toleranzen angeboten werden.

Informationen darüber, welchem "Bin" (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, sind an den Hersteller gebunden (Datenblatt).

Requiem für die Glühbirne!

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