microLED-Panels, die in der Displaytechnologie seit langem als wichtige Option für hohe Auflösung und Energieeffizienz gelten, entwickeln sich nun zu noch kleineren Maßstäben. Kürzlich entwickelte nanoLED-Lösungen öffnen die Tür zu einer neuen Ära der Bildtechnologie, während Forscher und Hersteller beginnen, die Grenzen dieser winzigen Lichtquellen auszuloten. Doch diese LEDs der nächsten Generation bringen neben ihrem Potenzial auch gravierende Effizienzprobleme mit sich.
Unter 500 Nanometer gesunken
Das schwedische Startup Polar Light Technologies erregte im Januar Aufmerksamkeit, indem es blaue Prototyp-LEDs präsentierte, die kleiner als 500 Nanometer sind. Während Pixel in der herkömmlichen microLED-Technologie im Mikrometerbereich hergestellt werden, hat das Unternehmen gezeigt, dass LEDs nanoskopische Dimensionen erreichen können.
Das Unternehmen verwendet weiterhin Halbleitermaterialien auf Basis von Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN), die in der LED-Produktion weit verbreitet sind. Die Herstellungsmethode unterscheidet sich jedoch von herkömmlichen Verfahren. Während bei der Standard-LED-Produktion die Halbleiterstruktur von oben nach unten geätzt wird, nutzt Polar Light eine Struktur, die vom Substrat ausgehend in Form einer hexagonalen Pyramide gezüchtet wird. Dieser Ansatz bietet erhebliche Vorteile sowohl bei der Größenreduzierung als auch bei der Produktionskontrolle.
Das Unternehmen plant, diese pyramidenförmigen LEDs, die ursprünglich für den microLED-Markt entwickelt wurden, Ende 2026 in die kommerzielle Produktion zu bringen. Bei den LED-Pyramiden, die bisher auf eine Breite von 300 Nanometern geschrumpft wurden, ist die theoretische Grenze noch nicht erreicht.
Das Ziel: Noch kleinere Dimensionen
Die Entwicklungen im Bereich NanoLED beschränken sich nicht nur auf Polar Light. Forscher der ETH Zürich in der Schweiz konnten mit der OLED-Technologie auf Basis organischer Halbleiter noch kleinere Pixel herstellen. In grünen OLED-Arrays, die mittels Elektronenstrahllithografie entwickelt wurden, wurde die Pixelgröße auf bis zu 100 Nanometer reduziert.
Diese im Nanomaßstab entwickelten nanoOLED-Panels liefern bemerkenswerte Ergebnisse in Bezug auf die Pixeldichte. Während modernste Displays heute eine Pixeldichte von etwa 14.000 ppi (Pixel pro Zoll) erreichen können, kommen neue nanoLED-Prototypen theoretisch auf 100.000 ppi.
Diese Dichte eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Anwendungen.
Eine ähnliche Studie wurde von Forschern der Zhejiang University in China durchgeführt. Dieses Team wählte einen anderen Ansatz, indem es Perowskit-Materialien, die auch in hocheffizienten Solarmodulen verwendet werden, für die LED-Produktion nutzte. Den Forschern gelang es, die 1-Mikrometer-Grenze zu unterschreiten und schließlich eine Größe von 90 Nanometern zu erreichen. Dieser Wert gilt als eine der kleinsten bisher gemeldeten LED-Pixelgrößen.
Das größte Problem: Die Effizienz
Die größte Herausforderung für die NanoLED-Technologie ist die sinkende Effizienz bei abnehmender Größe. Bei Perowskit-basierten NanoLEDs liegt die externe Quanteneffizienz – also die Rate, mit der injizierte Elektronen in Photonen umgewandelt werden – zwischen etwa 5 % und 10 %. Bei organischen nanoOLED-Prototypen kann diese Rate bis zu 13 % erreichen.
Im Gegensatz dazu erreichen herkömmliche III-V-LEDs im Millimeterbereich je nach Farbart Effizienzwerte von 50 % bis 70 %. Forscher glauben, dass die Effizienz von NanoLEDs durch die Optimierung von Produktionsprozessen und Materialtechnik in Zukunft gesteigert werden kann. Bei OLED-basierten Lösungen wird geschätzt, dass theoretisch Werte von 30 % bis 40 % erreicht werden könnten.
Wo werden sie eingesetzt?
Eine der Hauptmotivationen hinter der Entwicklung der NanoLED-Technologie ist die Schaffung kleinerer, schärferer und energiesparenderer Displays für Smart Glasses und Virtual-Reality-Geräte. Heute haben Hersteller von Smart Glasses Pixelgrößen von etwa 3 Mikrometern als Ziel gesetzt.
Forscher glauben jedoch, dass ein Absinken der Pixelgröße unter etwa 1 Mikrometer bei VR-Displays keinen praktischen Nutzen mehr bringt. Der Grund dafür ist, dass das menschliche Auge bei Unterschreitung der Beugungsgrenze des Lichts kleinere Pixel nicht mehr unterscheiden kann.
Ein Bereich, in dem NanoLEDs eine echte Revolution auslösen könnten, ist die On-Chip-Photonik. Diese Technologie hat das Potenzial, die Datenkommunikationsgeschwindigkeit insbesondere in KI-Rechenzentren erheblich zu steigern. TSMC, einer der weltweit größten Halbleiterhersteller, arbeitet bereits an microLED-basierten On-Chip-Verbindungen. Experten gehen davon aus, dass künftig noch kleinere NanoLED-Lösungen in diesem Bereich zum Standard werden könnten.
Die Tatsache, dass NanoLEDs Dimensionen erreichen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, schafft auch neue Möglichkeiten in der optischen Technik. Forscher haben gezeigt, dass diese Pixel Strukturen bilden können, die als Metasurfaces bezeichnet werden. Diese Strukturen steuern das Verhalten des Lichts präzise, indem sie die Interaktion jedes Pixels mit seinen Nachbarn kontrollieren.
Es wird für möglich gehalten, dass solche NanoLED-Arrays in Zukunft laserähnliche Lichtstrahlen erzeugen, die Entwicklung holografischer 3D-Displays ermöglichen oder in optischen Kommunikationssystemen der nächsten Generation eingesetzt werden. Obwohl sich die aktuellen Studien noch in einem frühen Stadium befinden, gilt die NanoLED-Technologie als Vorbote grundlegender Veränderungen in der Welt der Displays und Photonik.
