120 Jahre Osram Vom Glühfaden zur digitalen Photonik

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Seit 120 Jahren gibt es die Marke Osram. Die jüngere Vergangenheit ist dabei vor allem eine Geschichte der Halbleiterphysik: Damit die weiße LED überhaupt serientauglich wurde, musste die Branche in der Waferfertigung einige Hürden nehmen. Ein Gespräch über die größten materialwissenschaftlichen Meilensteine der Lichttechnik und die Zukunft der digitalen Photonik.

Die Geschichte des Lichts ist in den vergangenen Jahrzehnten vor allem eines geworden: eine Geschichte der Halbleiterphysik. Anlässlich des 120-jährigen Markenjubiläums von Osram lohnt sich nicht nur ein Blick auf die Unternehmenshistorie, sondern auf die harten technologischen Wendepunkte der Branche. Wann verdrängte die LED die Glühlampe wirklich? Welche Hürden mussten in der Wafer-Fertigung und beim Packaging gemeistert werden? Norwin von Malm, Senior Director New Technologies bei AMS Osram, begleitet uns auf einer Reise von extremen thermischen Leistungsdichten bis hin zu Micro-LEDs und intelligenten Matrix-Scheinwerfern.

Herr von Malm, von der Glühlampe zur digitalen Photonik: Welche technologischen Sprünge waren aus Sicht von AMS Osram die wirklich entscheidenden Wendepunkte? Nicht in der Unternehmensgeschichte, sondern in der Halbleiter- und Lichttechnologie selbst?

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Norwin von Malm: Der Weg von der Glühlampe hin zu modernen Photonik-Anwendungen wurde durch wenige, aber zentrale Technologien geprägt. Die Entwicklung der blauen und später der weißkonvertierten LED erschloss erstmals das gesamte sichtbare Spektrum und machte eine effiziente Halbleiterbeleuchtung möglich. Mit der Dünnfilmtechnologie folgte ein entscheidender Sprung in Richtung hoher Effizienz und Belastbarkeit, der LEDs in vielen Anwendungen zur neuen Referenz machte. Heute verbindet AMS Osram Lichtquellen und Sensorik zu intelligenten, datenbasierten Systemen. Das ist unserer Meinung nach ein konsequenter Schritt in Richtung Digital Photonics.

Wann hat die LED die klassische Glühlampe in der Entwickler-Welt abgelöst – also nicht regulatorisch, sondern technisch? Ab welchem Effizienzwert oder welcher Anwendung war der Wendepunkt spürbar?

Norwin von Malm: Technisch zeichnete sich der Wendepunkt in der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre ab, als die weißkonvertierte LED erstmals genügend Helligkeit, Lebensdauer und Farbstabilität erreichte, um die Glühlampe in anspruchsvollen Anwendungen zu ersetzen. Die Einführung der Dünnfilmtechnologie im Jahr 2001 legte den Grundstein für deutlich effizientere LEDs. In den darauffolgenden Jahren überschritten marktreife LED‑Module erstmals die Marke von rund 100 Lumen pro Watt (lm/W). Hier sprechen wir von einem Effizienzniveau, das klassische Glühlampen weit übertraf und völlig neue Anwendungen ermöglichte. Die Dünnfilmtechnologie von Osram wurde dafür 2007 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Besonders sichtbar wurde der Umbruch in frühen Automotive-Positions- und Rückleuchten, in Signage-Anwendungen und in ersten Hochleistungsmodulen, welche die Robustheit und Steuerbarkeit der LED voll ausnutzten. Zwischen 1996 und 2005 erfolgte damit der technische Übergang. Das war lange bevor regulatorische Maßnahmen überhaupt eine Rolle spielten.

Wie hat sich die Rolle des Lichts in der Elektronikentwicklung von der reinen Beleuchtungsfunktion hin zur Sensorik, Kommunikation und Datenverarbeitung verändert? Gibt es interne Meilensteine, die das untermauern?

Norwin von Malm: Licht hat sich in der Elektronikentwicklung schrittweise von einer reinen Beleuchtungsquelle zu einem aktiven Informations- und Sensorsignal gewandelt. Ein früher Meilenstein war die Einführung der Infrarot-LEDs Mitte der 1970er-Jahre durch Osram, die erstmals eine optische Signalübertragung ermöglichten. Eingesetzt wurden sie etwa in Fernbedienungen oder einfachen Steueranwendungen.

Mit der Entwicklung kompakter Sensor- und Lichtmodule ab 2011, die Funktionen wie Umgebungslicht-, Farb- oder Annäherungsmessung kombinierten, wurde Licht zu einem präzisen Messinstrument in mobilen und industriellen Geräten. Hochauflösende LED-Systeme wie EVIYOS (2017) zeigen schließlich, wie Licht zu einem adressierbaren Informationsmedium wurde, das Daten verarbeiten und situativ reagieren kann.

Heute verbinden wir diese Licht- und Sensortechnologien zu integrierten Photonik-Anwendungen. Diese Kompetenz übertragen wir nun auch auf ein weiteres zentrales Zukunftsfeld: die optische Datenübertragung und hochauflösende Lichtdarstellung, die mit unseren aktuellen Micro-LED-Entwicklungen für neue Anwendungen mit besonders hohem Energie- und Leistungsbedarf ermöglichen. Für das Konzept des 'Digitalen Lichts' gab es 2024 erneut den Deutschen Zukunftspreis.

Welche materialwissenschaftlichen Durchbrüche (beispielsweise bei der Epitaxie, bei InGaN- oder AlInGaP-Halbleitern) waren nötig, um die blaue und weiße LED überhaupt serientauglich und bezahlbar zu machen? Welche Hürden der Wafer-Fertigung mussten Sie meistern, die in der klassischen Halbleiterindustrie so nicht existierten?

Norwin von Malm: Für die erfolgreiche Synthese dieser Verbindungshalbleiter, die in der Natur so nicht vorkommen, war es entscheidend, molekulare Vorstufen (Precursor Gases) in ausreichend hoher Reinheit herstellen zu können. Das war in der frühen Phase der Forschung an diesen Materialsystemen lange nicht der Fall. Vor allem Sauerstoffrestegehalte verschlechterten die Halbleitereigenschaften so stark, dass eine praktische Nutzung zunächst unmöglich war. Entscheidend war schließlich die präzise Kontrolle der InGaN-Epitaxieschichten sowie die Entwicklung effizienter Konversionsmaterialien für weißes Licht.

Mit der Dünnfilmtechnologie gelang zudem ein deutlicher Leistungszuwachs durch optimierte Schichtstrukturen und eine bessere Lichtauskopplung. Während zuvor eine Lichtauskopplung aus allen Seitenflächen, außer der Bodenfläche, angestrebt war, erlaubte die Dünnfilmtechnologie eine gezielte Lichtemission über die Vorderseite. Dadurch steht für Anwendungen – etwa zur Einkopplung in nachgelagerte Optiken – eine wesentlich höhere Leuchtdichte zur Verfügung. Dies ist insbesondere für Scheinwerferanwendungen von zentraler Bedeutung.

Und auf Ebene der Wafer?

Norwin von Malm: Gleichzeitig mussten in der Waferfertigung Herausforderungen gemeistert werden, die in der klassischen Siliziumwelt kaum vorkommen. Das ist etwa bei hohen thermische Spannungen, anspruchsvolle Kristallqualitäten sowie die Etablierung von Prozessen zur ganzflächigen Verbindung der LED-Schichten mit geeigneten Trägermaterialien und zum Ablösen der Wachstumssubstrate der Fall.

In der Dünnfilmtechnik wird eine extrem dünne Kristallschicht von wenigen tausendstel Millimetern vom ursprünglichen Substrat, auf dem der Kristall erzeugt wurde, auf einen neuen Träger transferiert. Die Herausforderung hierbei ist das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der beteiligten Materialien, ähnlich einem Bimetall-Effekt. Zudem kann jedes Staubteilchen, das zwischen Kristallschicht und Träger gelangt, eine saubere Verbindung großflächig stören – vergleichbar mit einer Schutzfolie, die man unsauber auf ein Smartphone-Display klebt.

Es galt also, ein Verbindungsverfahren zu entwickeln, das tolerant gegenüber kleinen Störungen ist, eine gute elektrische und thermische Ankopplung ermöglicht, die Schichten mechanisch robust fixiert und sich kostengünstig in der Masse herstellen lässt. Aus den verschiedenen Optionen hat sich bis heute ein metallisches Verfahren durchgesetzt. Das Ablösen und das Übertragen der Schichten gelang nur durch die Entwicklung neuer Maschinen und Prozesse, die es bis dahin in der Halbleiterindustrie schlicht nicht gab. Ein Beispiel ist das Laser-Lift-off-Verfahren, das heute für die Ablösung von ultradünnen Scheiben auch in der Siliziumwelt Einzug gehalten hat.

Das Übertragen des Verbindungshalbleiterkristalls auf ein Ersatzsubstrat erlaubt den Zugang zum Kristall von beiden Seiten und bietet damit mehr Möglichkeiten, die Eigenschaften der LED zu optimieren. Gleichzeitig ist es das Fundament für die Kombination mit moderner CMOS-Elektronik. Die Heterointegration, wie wir sie bei Eviyos sehen, ist ein erstes Beispiel dafür. Es stehen aber noch viele weitere Ideen bereit, um Emitter und Detektoren zu integrieren. Etwa für neuartige Datenbrillen oder völlig neue Arten der Datenübertragung.

Je kleiner die LEDs wurden, desto extremer wurde die Leistungsdichte. Wie hat sich das Packaging über die Jahrzehnte entwickelt – vom klassischen bedrahteten Bauteil hin zu Chip-Scale-Packages (CSP) – und wie haben Sie das thermische Management auf Platinenebene für die Entwickler vereinfacht?

Norwin von Malm: Mit wachsender Miniaturisierung wandelte sich das LED-Packaging von einfachen, bedrahteten Bauteilen zu hochintegrierten Aufbauten und schließlich zu Chip-Scale-Packages (CSP). Die entscheidenden Fortschritte bei der Beherrschung dieser hohen Leistungsdichten resultierten aus der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Package-Architekturen. Neue Substrat-, Gehäuse- und Kontaktkonzepte verbesserten die Wärmeabfuhr auf der Leiterplatte deutlich. Bei modernen CSP-Varianten wird der Chip selbst zum Package bei einer hohen Packungsdichte, klar definierten thermischen Schnittstellen und präziser Optikanbindung.

Man muss sich das veranschaulichen: Die enormen Bauteileffizienzen sind immer auch mit extremen Verlustleistungsdichten verbunden. Das erzwang neue Konzepte, um Bauteile mit möglichst geringem thermischem Widerstand zu montieren, ohne die Produktivität in der Aufbau- und Verbindungstechnik zu drosseln. Eine LED von einem Quadratmillimeter Fläche liefert bei 90 Prozent Effizienz und einer typischen Leistungsaufnahme von 3 W immer noch circa 0,3 W pro Quadratmillimeter (W/mm²) an Verlustleistung. Zum Vergleich: Eine elektrische Herdplatte mit 20 Zentimetern Durchmesser und 2 kW Leistung liegt bei etwa 0,06 W/mm². Selbst im Boostmodus bei 3,5 kW erreicht sie rund 0,1 W/mm². Ohne ein kluges Wärmemanagement im Gehäusedesign und ohne die Entwicklung neuer optischer Kunststoffe und Einhäusungsverfahren wäre ein langlebiges LED-Produkt schlicht unmöglich.

Im Automotive-Umfeld sind wir von der Halogenlampe über Xenon nun bei intelligenten Matrix-LEDs mit tausenden einzeln ansteuerbaren Pixeln angekommen. Wie verändert diese enorme Granularität die Anforderungen an die Treiberelektronik und die Bus-Systeme im Auto? Wird der Scheinwerfer zum Display?

Norwin von Malm: Mit intelligenten Matrix-LEDs steigt die Zahl der einzeln ansteuerbaren Lichtpunkte von wenigen Segmenten auf mehrere tausend. Damit wachsen die Anforderungen an Treiberelektronik und Systemarchitektur erheblich. Statt einfacher Schaltungen braucht es heute hochintegrierte Treiber, die große Datenmengen verarbeiten, präzise Pixel ansteuern und zugleich das erwähnte Wärmemanagement sicherstellen.

Auch die Fahrzeugnetzwerke müssen höhere Bandbreiten bereitstellen und deutlich enger mit Kamera-, Sensor- und Assistenzsystemen zusammenarbeiten. Der Scheinwerfer entwickelt sich damit tatsächlich zu einem hochauflösenden, flexibel steuerbaren Lichtfeld, das situativ Informationen auf die Straße projizieren kann – funktional also zunehmend in Richtung eines Displays.

Wenn wir auf die nächsten technologischen Wendepunkte schauen: Welche optischen Emitter prägen die Elektronikentwicklung der Zukunft? Sind es VCSELs für 3D-Sensing (Lidar) oder Micro-LEDs für AR/VR? Und wo liegen hier aktuell die größten Herausforderungen in der Skalierung?

Norwin von Malm: Es sind vor allem zwei Emittertechnologien, die die Zukunft prägen: VCSEL-Lichtquellen für hochpräzises 3D-Sensing, etwa für Lidar, in der Robotik, der Medizintechnik oder der Personenerkennung, sowie Micro-LEDs als sehr schnelle, helle und hochauflösende Pixelquelle für Anzeigen, AR-/VR-Systeme und vernetzte Geräte. Beide Technologien sind Kernbausteine dessen, was wir als Digital Photonics verstehen: das Zusammenspiel aus Lichtquelle, Sensorik und intelligenter Auswertung.

Die größten Herausforderungen in der Skalierung liegen bei VCSEL-Emittern in der Strukturierung und der thermischen Stabilität sehr großer Arrays. Bei Micro-LEDs sind es insbesondere die Ausbeute (Yield), die Transferprozesse und die fehlerfreie Integration von Millionen Einzelpixeln. Unsere jüngsten Fortschritte bei Micro-LED-Plattformen zeigen jedoch, dass wir diese Komplexität beherrschen. (heh)

Effizienzsprung bei UV-C-LEDs

„Wir fokussieren uns auf eine Wellenlänge von 265 Nanometern“

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