Kurzstrecken-Optik neu gedacht: MicroLEDs holen auf
Haarfeine MicroLEDs steigern Leistung um bis zu 130 % und könnten Laser in Rechenzentren ersetzen – effizienter und robuster.
Roark Chao, Doktorand an der University of California, Santa Barbara, erforscht neuartige MicroLED-Architekturen, die Laser in der Kurzstrecken-Datenübertragung ersetzen könnten.
Foto: Matt Perko, CC BY-NC-ND
Forschende der UC Santa Barbara haben MicroLEDs mit seitlichen Bragg-Reflektoren entwickelt. Die Bauelemente steigern die optische Leistung um bis zu 130 % (Substratseite), erhöhen die elektrische Effizienz um bis zu 35 % und die Wall-Plug-Effizienz um bis zu 46 %. Gleichzeitig sinkt die Strahldivergenz um rund 30 %. Die robusteren LEDs könnten Laser in der Kurzstrecken-Datenübertragung von Rechenzentren ersetzen.
Inhaltsverzeichnis
Lichtquelle unter 100 Mikrometern
Rechenzentren übertragen enorme Datenmengen über kurze Distanzen. Heute dominieren dort Laserquellen. Sie liefern schmale Strahlen und hohe Modulationsraten. Doch sie reagieren empfindlich auf Temperatur. Kühlung kostet Energie und Geld.
An der UC Santa Barbara arbeiten Forschende an einer Alternative: MicroLEDs aus Galliumnitrid (GaN). Die Bauelemente messen maximal etwa 100 Mikrometer. Manche Varianten sind kaum breiter als ein menschliches Haar.
„Wir sprechen hier von Geräten, die buchstäblich die Größe eines Haarfollikels haben“, sagte Roark Chao. „Wenn man die Art und Weise, wie das Licht austritt, technisch so gestalten kann, dass diese Mikro-LEDs Laser in der Kurzstrecken-Datenkommunikation ersetzen können.“
Das Kernproblem: Ein Großteil des Lichts kommt nicht heraus
Bei GaN-LEDs entsteht das Licht im Halbleiterchip. Doch zwischen dem Material und der umgebenden Luft besteht ein starker optischer Kontrast. Vereinfacht gesagt: Das Material „bremst“ das Licht deutlich stärker als Luft.
Trifft das Licht im Chip unter einem zu flachen Winkel auf die Oberfläche, wird es nicht nach außen abgegeben, sondern an der Grenzfläche zurückgeworfen. Physikalisch spricht man von Totalreflexion. Für die Anwendung bedeutet das: Ein erheblicher Teil des erzeugten Lichts bleibt im Bauelement gefangen – vor allem im Saphir-Substrat. Die LED erzeugt also Licht, das sie nicht effizient nutzen kann. Das drückt die Lichtausbeute.
Ziel: Fertigungsaufwand und Komplexität reduzieren
Bisherige Strategien versuchen, dieses Licht durch Tricks aus dem Chip herauszuholen. Dazu gehören strukturierte Saphir-Substrate, die das Licht streuen, oder aufwendig gefertigte Metastrukturen, die die Abstrahlung gezielt formen. Das funktioniert, erhöht aber den Fertigungsaufwand und die Komplexität.
Das Team um Steven P. DenBaars, Jon A. Schuller und Nobelpreisträger Shuji Nakamura geht einen anderen Weg. Statt die Oberfläche kompliziert zu strukturieren, umschließen sie die aktive LED-Mesa seitlich mit einem verteilten Bragg-Reflektor (Distributed Bragg Reflector, DBR).
Pragmatische Lösung
Dieser Reflektor besteht aus mehreren dünnen Schichten aus TiO₂ und SiO₂, die sich abwechseln. In der hier gezeigten Ausführung sind es 8,5 solcher Schichtpaare. Bei einer Wellenlänge von 440 nm reflektiert diese Struktur rund 99 % des Lichts.
Die Idee dahinter ist pragmatisch: Licht, das seitlich aus dem aktiven Bereich austreten würde, trifft auf den Reflektor und wird zurück in den Chip gelenkt. Dort kann es in günstigere Winkel umgelenkt werden und schließlich nach oben oder unten austreten – also in Richtungen, in denen es tatsächlich genutzt werden kann.
Mehr Leistung, schmalerer Strahl
Die Messdaten zeigen verschiedene Effekte. Auf der Luftseite steigt die optische Leistung um bis zu 20 %. Auf der Substratseite sogar um rund 130 % im Vergleich zu Referenzbauelementen mit TiO₂-Isolator.
Gleichzeitig reduziert sich die Strahldivergenz um etwa 30 %. Der Emissionswinkel schrumpft deutlich. Für optische Kopplung an Fasern ist das entscheidend. Je schmaler der Strahl, desto effizienter gelangt Licht in die Faser.
Auch die Effizienzwerte verbessern sich. Die externe Quanteneffizienz (EQE) steigt im Mittel deutlich, mit Spitzenwerten bis zu +35 %. Die Wall-Plug-Effizienz, also der Anteil der elektrischen Leistung, der als Licht austritt, verbessert sich um bis zu 46 %.
Wichtig ist: Die elektrischen Kennlinien bleiben praktisch unverändert. Der DBR beeinflusst primär die Optik, nicht die Stromführung.
Vorteil gegenüber Lasern
Laser liefern kohärentes Licht mit sehr geringer Divergenz. Dafür benötigen sie exakte Resonatorstrukturen und reagieren empfindlich auf Temperaturdrift.
MicroLEDs arbeiten ohne Laserresonator. Sie sind weniger anfällig für thermische Effekte. Chao formuliert es klar: „Das Problem bei Lasern ist, dass sie bereits bei relativ niedrigen Temperaturen thermische Probleme bekommen.“ MicroLEDs könnten bei höheren Temperaturen stabil arbeiten und weniger Kühlung erfordern.
Für Rechenzentren zählt jedes Watt. Wenn eine Lichtquelle 10–20 % effizienter arbeitet und weniger Kühlung braucht, summiert sich das bei tausenden Verbindungen.
Mehr als nur Rechenzentren
Die Architektur ist nicht auf eine bestimmte Wellenlänge oder Epitaxie festgelegt. Das erleichtert die Integration in bestehende Fertigungsprozesse. Neben optischen Interconnects sehen die Forschenden Anwendungen in Displays sowie in AR- und VR-Systemen.
MicroLED-Displays gelten bereits als vielversprechend für hohe Helligkeit und lange Lebensdauer. Eine gezielte Strahlformung könnte dort neue optische Designs ermöglichen.
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