12 Feb. Fern-UVC-Mikro-LEDs für die Viren- und Bakterienbekämpfung
Forschende am Ferdinand-Braun-Institut (FBH) entwickeln LEDs im Fern-UVC-Spektrum, die Wellenlängen unterhalb von 240 nm emittieren. Diese können zur Desinfektion von Oberflächen, der menschlichen Haut und im Rachenraum eingesetzt werden, da die Strahlung Krankheitserreger wie multiresistente Bakterien und Viren wirksam inaktiviert, aber nicht tief in die Haut eindringt.
Strukturierter Halbleiter verstärkt Licht
Die Effizienz dieser LEDs ist im Vergleich zu ihren Pendants im sichtbaren Bereich noch gering, berichten die Forschenden. Ein Hauptgrund dafür sei die geringe Lichtausbeute. Die Forschenden konnten nun eigenen Angaben zufolge zeigen, dass dieser Wert und damit die externe Quanteneffizienz (EQE) um den Faktor zwei bis drei erhöht werden kann, wenn die Halbleiteroberfläche in mikrometergroße Pixel mit reflektierenden, um 45° geneigten Seitenwänden strukturiert wird. Diese Mikro-LEDs ermöglichen es, dass Photonen, die sich seitlich im Halbleiter bewegen, reflektiert und zur Rückseite des transparenten Saphir-Trägerwafers umgelenkt werden. Von dort aus lassen sie sich anschließend extrahieren. Mit 10 000 bis 100 000 Mikro-LEDs mit Durchmessern von bis zu 1 µm wurden laut den Forschenden Rekord-EQEs von 3,0% und ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 2,0% erreicht.
Flip-Chip-montierte Fern-UVC-LED, gekoppelt an eine Multimode-Lichtleitfaser. Bild: FBH
LED-Arrays koppeln in die Faser
Eine weitere Herausforderung besteht darin, das von LEDs erzeugte Licht in Glasfasern zu koppeln. Ein Endoskop, das mit einer UV-durchlässigen Glasfaser ausgestattet ist, könnte Bakterien und Viren wirksam beseitigen. Allerdings ist die Kopplung von Licht aus LEDs in Fasern in der Regel ineffizient, da der Abstrahlwinkel der LEDs groß ist, während der Halbwertswinkel von UV-durchlässigen Fasern auf etwa 12° begrenzt ist. Die FBH-Forschenden berichten nun von der Entwicklung von Mikro-LED-Arrays, um den Fernfeldemissionswinkel von 235-nm-LEDs von 140° im Standarddesign auf 90° für 1,5-µm-Mikro-LEDs zu reduzieren. Dies führte zu einer Verfünffachung der durch eine Multimode faserübertragenen Leistung. Mittels weiterer Verbesserungen der Technologie gelang es den Forschenden, 125 000 dicht gepackte kreisförmige Mikro-LEDs mit einem Durchmesser von jeweils weniger als 1,5 µm in einen einzigen 1 mm x 1 mm großen LED-Chip zu integrieren. Bei einem Ansteuerstrom von 200 mA wurde eine optische Leistung von mehr als 1 mW bei 235 nm durch eine 1 m lange Faser mit einem Kerndurchmesser von 910 µm übertragen.
Spannung und übertragene optische Leistung in Abhängigkeit vom angelegten Strom einer 235-nm-Fern-UVC-Mikro-LED durch eine 910 µm dicke Glasfaser. Bild: FBH
Die Partner von der Charité Berlin gehen davon aus, dass diese Leistungsstufe ausreichen dürfte, um eine Desinfektion des menschlichen Rachens in weniger als fünf Minuten zu erreichen, was einen neuen Weg für die Bekämpfung multiresistenter Keime ebnen würde.
Veröffentlichungen:
J. Rass: UV LEDs go micro; Compound Semiconductor, vol. 30, no. 3 (2024).
J. Rass, S. Hagedorn, H. K. Cho, T. Kolbe, M. Guttmann, S. Breuer, J. Ruschel und S. Einfeldt: Influence of the AlN-sapphire template on the optical polarization and efficiency of AlGaN-based far-UVC micro LED arrays; Semicond. Sci. Technol., vol. 40, no. 1 (2025).
Jens Rass et al.: Far-UVC micro-LED arrays for efficient light extraction and fiber coupling; Appl. Phys. Lett. 127 (2025).
Quelle und Bild: www.fbh-berlin.de