Die weltweit kleinsten LEDs herstellen: ETH Zürichs Nano-LED-Durchbruch

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Ein Pixel-Array organischer Nano-Lichtemittierender Dioden zeigt das ETH-Logo mit einer Auflösung von 50.000 Pixeln pro Zoll. (Bild: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

Miniaturisierung ist die treibende Kraft hinter der Halbleiterindustrie. Die enormen Leistungsgewinne bei Computern seit den 1950ern sind weitgehend darauf zurückzuführen, dass immer kleinere Strukturen auf Siliziumchips gefertigt werden können. Chemiker der ETH Zürich haben nun die Größe organischer Lichtemittierender Dioden (OLEDs) – die derzeit primär in Premium-Handys und TV-Bildschirmen verwendet werden – um mehrere Größenordnungen reduziert. Ihre Studie wurde kürzlich im Journal Nature Photonics veröffentlicht.

„Der Durchmesser der bisher kleinsten OLED-Pixel, die wir entwickelt haben, liegt im Bereich von 100 Nanometern, was bedeutet, dass sie etwa 50-mal kleiner sind als der aktuelle Stand der Technik“, sagte Jiwoo Oh, Doktorandin in der Nanomaterial-Engineering-Forschungsgruppe unter Leitung von ETH-Professor Chih-Jen Shih.

Oh entwickelte den Herstellungsprozess für die neuen Nano-OLEDs zusammen mit Tommaso Marcato. „In nur einem einzigen Schritt ist die maximale Pixeldichte jetzt etwa 2500-mal höher als zuvor“, sagte Marcato, der als Postdoc in Shihs Gruppe tätig ist.

Zum Vergleich: Bis in die 2000er folgte das Miniaturisierungstempo von Computerprozessoren Moores Gesetz, wonach sich die Dichte elektronischer Elemente alle zwei Jahre verdoppelte.

Pixel im Größenbereich von 100 bis 200 Nanometern bilden die Grundlage für ultra-hochauflösende Bildschirme, die rasiermesserscharfe Bilder in Brillen darstellen könnten, die nah am Auge getragen werden. Um dies zu veranschaulich, zeigte Shihs Forscherteam das ETH Zürich Logo. Das Logo besteht aus 2800 Nano-OLEDs, ähnlich groß wie eine menschliche Zelle, wobei jeder Pixel etwa 200 Nanometer misst. Die bisher kleinsten entwickelten Pixel der ETH-Forscher erreichen den Bereich von 100 Nanometern.

Zudem könnten diese winzigen Lichtquellen auch helfen, den Sub-Mikrometer-Bereich über hochauflösende Mikroskope zu fokussieren. „Ein Nano-Pixel-Array als Lichtquelle könnte die winzigsten Bereiche einer Probe beleuchten. Die einzelnen Bilder könnten dann am Computer zusammengesetzt werden, um ein extrem detailliertes Bild zu liefern“, sagte Professor Shih. Er sieht Nano-Pixel auch als potenzielle winzige Sensoren, die Signale von einzelnen Nervenzellen detektieren könnten.

Diese winzigen Dimensionen eröffnen auch Möglichkeiten für Forschung und Technologie, die zuvor völlig außer Reichweite waren. Laut Marcato: „Wenn zwei Lichtwellen derselben Farbe näher als halbe Wellenlänge zusammenkommen – das sogenannte Beugungslimit – oszillieren sie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern beginnen, miteinander zu interagieren.“ Im Fall von sichtbarem Licht liegt dieser Limit zwischen etwa 200 und 400 Nanometern, je nach Farbe – die von ETH-Forschern entwickelten Nano-OLEDs können so nah beieinander positioniert werden.

In ersten Experimenten konnte Shihs Team solche Interaktionen nutzen, um die Richtung des emittierten Lichts gezielt zu manipulieren. Statt Licht in alle Richtungen über dem Chip zu emittieren, emittieren die OLEDs dann nur in sehr spezifischen Winkeln. „In Zukunft wird es möglich sein, das Licht aus einer Nano-OLED-Matrix in eine Richtung zu bündeln und es zum Bau leistungsstarker Mini-Laser zu nutzen“, erwartet Marcato.

Polarisiertes Licht – Licht, das nur in einer Ebene oszilliert – kann ebenfalls durch Interaktionen erzeugt werden, wie die Forscher bereits demonstriert haben. Heute wird dies in der Medizin eingesetzt, um gesundes Gewebe von krebsartigem zu unterscheiden.

Moderne Radio- und Radartechnologien geben eine Vorstellung vom Potenzial dieser Interaktionen. Sie nutzen Wellenlängen von Millimetern bis Kilometern und nutzen diese Interaktionen bereits seit einiger Zeit. Sogenannte Phased-Array-Anordnungen erlauben es, Antennen- oder Sendersignale präzise auszurichten und zu fokussieren. Im optischen Spektrum könnten solche Technologien unter anderem helfen, die Informationsübertragung in Datennetzen und Computern weiter zu beschleunigen.

Das Grundprinzip interagierender Wellen lässt sich treffend veranschaulichen, indem man zwei Steine nebeneinander in einen spiegelglatten See wirft. Wo die kreisförmigen Wasserwellen aufeinandertreffen, entsteht ein geometrisches Muster aus Wellenkämmen und -tälern. Ähnlich können intelligent angeordnete Nano-OLEDs optische Welleneffekte erzeugen, bei denen das Licht benachbarter Pixel sich gegenseitig verstärkt oder auslöscht.

Bei der Herstellung von OLEDs bislang wurden die lichtemittierenden Moleküle nachträglich auf Siliziumchips aufgedampft. Dies wird durch relativ dicke Metallmasken erreicht, die entsprechend größere Pixel produzieren. Wie Oh erklärte, wird der Drang zur Miniaturisierung nun durch ein spezielles Keramikmaterial ermöglicht: „Siliziumnitrid kann sehr dünne, aber widerstandsfähige Membranen bilden, die auf Flächen von nur wenigen Quadratmillimetern nicht durchhängen.“

Dadurch konnten die Forscher Templates für die Platzierung der Nano-OLED-Pixel herstellen, die etwa 3000-mal dünner sind. „Unsere Methode hat auch den Vorteil, dass sie direkt in Standard-Lithografieprozesse integriert werden kann, die für die Computerchip-Produktion verwendet werden“, sagte Oh.

Die neuen Nano-Lichtemittierenden Dioden wurden im Kontext eines Consolidator Grant entwickelt, der Shih 2024 vom Swiss National Science Foundation (SNSF) verliehen wurde. Die Forscher arbeiten derzeit an der Optimierung ihrer Methode. Neben der weiteren Miniaturisierung der Pixel liegt der Fokus auch auf deren Steuerung.

„Unser Ziel ist es, die OLEDs so zu verbinden, dass wir sie einzeln steuern können“, sagte Shih. Dies ist notwendig, um das volle Potenzial der Interaktionen zwischen den Lichtpixeln zu nutzen. Unter anderem könnten präzise steuerbare Nano-Pixel die Tür zu neuartigen Anwendungen von Phased-Array-Optik öffnen, die Lichtwellen elektronisch steuern und fokussieren können.

In den 1990ern wurde postuliert, dass Phased-Array-Optik holografische Projektionen von zweidimensionalen Bildschirmen ermöglichen würde. Aber Shih denkt bereits einen Schritt weiter: In der Zukunft könnten Gruppen interagierender OLEDs zu Meta-Pixeln gebündelt und präzise im Raum positioniert werden. „Das würde erlauben, 3D-Bilder um Betrachter herum zu realisieren“, sagte der Chemiker mit einem Blick in die Zukunft.

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