MicroLEDs und die "grüne Lücke": Möglicher Durchbruch bei XR-Displays
Forschende entwickeln ein neues Herstellungsverfahren für MicroLEDs für VR- und AR-Brillen. Steht eine neue Display-Generation bevor?
Die Universität Michigan vermeldet einen Durchbruch in der MicroLED-Forschung. Es sei erstmals gelungen, leistungsstarke und hochstabile grüne Micro-LEDs mit Abmessungen von weniger als einem Mikrometer auf Silizium zu fertigen. Davon sollen vorwiegend ultrahochauflösende Farbdisplays profitieren. Auch die Schwierigkeiten in der Herstellung könnten durch ein neues Verfahren bald gelöst sein.
MicroLED: Die Zukunft der Mixed Reality-Displays?
Licht emittierende Dioden, kurz LEDs, gingen seit ihrer Einführung in den Siebzigerjahren einen beachtlichen Weg. Zunächst nur als Signallämpchen eingesetzt, da sie kaum Farben anzeigen konnten, etablieren sich die Leuchtdioden seit etwa zwanzig Jahren zunehmend in allem, was mit Beleuchtung zu tun hat. Grund für den Durchbruch war die Einführung von effizienten blauen und weißen LEDs Mitte der 2000er-Jahre und das damit erreichbare breite Farbspektrum.
___STEADY_PAYWALL___Heute werden LEDs in beinahe jedem Bildschirm verbaut und gelten in ihrer weiterentwickelten Form der MicroLEDs als die Zukunft von Mixed-Reality-Headsets. Dort sollen sie mit höherer Pixeldichte, schnellerer Reaktionszeit, satterem Kontrast und intensiverer Helligkeit für ein besseres Erlebnis als LC- oder OLED-Displays sorgen.
Hohe Kosten in der Produktion hemmen bislang den Durchbruch
Die Tech-Branche investiert deshalb sehr viel Geld in MicroLEDs und Giganten wie Apple, Meta oder Google schlucken Micro-LED-Start-ups oder sichern sich exklusive Lizenzrechte an deren Produkte. MicroLEDs haben allerdings (noch) einen Nachteil: Für Mixed-Reality-Geräte sind die Super-Displays schwer herzustellen.
Einzelne Pixel auf MicroLEDs erreichen Größen von unter einem Mikrometer, was aufwendige Produktionsverfahren erfordert. Dabei kommt es Experten zufolge bei mehr als fünfzig Prozent aller hergestellten Displays zu Defekten, wodurch zusätzliche Kosten entstehen.
Für Mixed Reality-Anwendungen müssen die MicroLEDs also winzig klein und dennoch hochstabil und effizient sein. Um bei mobilen VR-Brillen eingesetzt werden zu können, ist ein niedriger Stromverbrauch ebenfalls wichtig. Um das zu erreichen, werden MicroLEDs auf Silizium-Wafer hergestellt.
MicroLEDs für Mixed-Reality-Brillen: Schwierige Herstellung und „Grüne Lücke“
Im Gegensatz zu herkömmlichen Saphir-Wafern wird durch Silizium unter anderem eine bessere Skalierbarkeit und Integration in kleine Geräte erreicht. Es gibt allerdings auch hier einen Haken: Die Verwendung von Silizium führt zu einer Fehlanpassung der Gitterparameter, da die Kristallstruktur anders ist.
Laut Professor Zetian Mi von der Universität Michigan könne man bisher sehr effiziente großflächige blaue LEDs und großflächige rote LEDs herstellen, aber es sei extrem schwierig, sehr effiziente großflächige grüne LEDs herzustellen. Dies werde als „grüne Lücke“ bezeichnet. Die Verkleinerung eines Bauteils auf etwa einen Mikrometer sei jedoch in jedem Fall eine große Herausforderung.
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Erste leistungsstarke und hochstabile grüne MikroLEDs auf Silizium-Wafern
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten Mi und sein Forschungsteam grüne MicroLEDs aus III-Nitrid im Submikrometerbereich. Dabei werden Arrays aus Nanodrähten mit einem Durchmesser von jeweils nur 100 bis 200 nm und einem Abstand von wenigen Nanometern verwendet.
„Wir verwenden die Nanodrahtstruktur, um die durch die Gitterfehlanpassung zwischen den Nitridmaterialien und dem Siliziumsubstrat verursachten Fadenversetzungen herauszufiltern“, so Yuanpeng Wu, Erstautor der Arbeit. Das Ergebnis sind die ersten leistungsstarken und hochstabilen grünen MikroLEDs auf Silizium.
Forschende stellen effizientere Herstellung von MicroLEDs in Aussicht
„Es ist sehr wichtig, eine stabile Emission aller drei Farben Rot, Grün und Blau zu haben, um eine qualitativ hochwertige Anzeige zu erreichen“, erklärt Mi.
Schon im Mai dieses Jahres ist es den Forschenden gelungen, rote MicroLEDs zu entwickeln, deren Oberfläche fast dreimal so klein ist als die von bisherigen Modellen.
Fehlt also nur noch Blau, um den wohl wichtigsten Fortschritt in der LED-Entwicklung seit Mitte der 2000er-Jahre erreichen.
„Der Ansatz, den wir für Grün entwickelt haben, lässt sich ohne Weiteres auf Blau übertragen“, so Mi. „Der nächste Schritt ist die Integration direkt auf dem Silizium-Wafer ohne Transfer, was eine enorme Verbesserung für die Herstellung wäre.“
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