Von der Weihnachtsbeleuchtung zur Künstlichen Intelligenz: LED-Forschung an der TU Braunschweig
Wenn in diesen Wochen Millionen funkelnder Lichterketten die Wohnzimmer, Adventskränze und Tannenbäume erleuchten, denken wohl die wenigsten darüber nach, was hinter der modernen LED-Technologie steckt. Und während sich die meisten von uns einfach an der energieeffizienten Beleuchtung erfreuen, arbeiten Forschende der TU Braunschweig bereits an der nächsten Revolution: LED-Systeme, die nicht nur leuchten, sondern auch denken können.
Im Nitride Technology Center (Öffnet in einem neuen Tab) (NTC) der TU Braunschweig (Öffnet in einem neuen Tab) erforschen rund 20 Arbeitsgruppen die Zukunft der Lichttechnologie. Das Zentrum wird von einer strategischen Kooperation zwischen der TU Braunschweig, dem Land Niedersachsen (Öffnet in einem neuen Tab) und dem Industriepartner ams-OSRAM (Öffnet in einem neuen Tab) getragen, die bereits seit 2015 besteht. „Eine Glühbirne erzeugt in erster Linie Wärme. Ihr Licht ist eigentlich nur ein Nebenprodukt. Das ist überhaupt nicht energieeffizient“, erklärt Dr. Jana Hartmann, die am NTC forscht. „Bei einer LED hingegen gibt man Strom hinein und bekommt direkt Licht heraus.“ Die Effizienzsteigerung ist beachtlich: LEDs wandeln rund zehnmal mehr Energie in Licht um als herkömmliche Leuchtmittel.
Vom Labor in die Praxis
Das Besondere an der Braunschweiger Forschung liegt in der extremen Miniaturisierung. „Wir erforschen in erster Linie, wie sich LEDs deutlich verkleinern lassen“, so Hartmann. „Das nennen wir dann Mikro- und Nano-LEDs.“ Während eine typische LED für normale Beleuchtung etwa 0,3 Millimeter groß ist, haben die Braunschweiger WissenschaftlerInnen bereits Arrays hergestellt, bei denen jede einzelne LED nur 0,01 Millimeter misst. Und in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Öffnet in einem neuen Tab) (PTB) gelang sogar die Herstellung von Nano-LEDs mit einer unfassbar geringen Größe von nur 0,0002 Millimetern.
Das NTC verfügt über drei Reinräume und kann damit die gesamte Forschungskette von der Materialherstellung über die Prozessierung bis zur Systemintegration im Gebiet der Nitrid-Halbleiter abdecken. Eine weltweit einzigartige Konstellation, die Braunschweig zu einem international renommierten Standort für Halbleiterforschung macht. Die Epitaxie, also das kristalline Wachstum der Halbleiterschichten, erfolgt dabei in modernen Anlagen für metallorganische Gasphasenepitaxie, in der auf mehreren Substraten gleichzeitig Galliumnitrid-Kristalle hergestellt werden können.
Mikroskope so klein wie Schmuckschatullen
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser winzigen Lichtquellen sind vielfältig. Besonders spannend ist ihr Einsatz in der linsenlosen Mikroskopie. „Der Objektträger besteht aus unzähligen kleinen LEDs. Legt man ein Objekt darauf, kann es aus verschiedenen Winkeln beleuchtet werden“, beschreibt Hartmann die Funktionsweise. „So lassen sich mit Hilfe mathematischer Methoden hochauflösende Bilder berechnen.“ Das Ergebnis: Mikroskope in der Größe einer Schmuckschatulle, die ohne aufwendige Linsen und mechanische Bauteile auskommen und mobil eingesetzt werden können.
Und auch der Technologietransfer in die Wirtschaft wird erfolgreich praktiziert: Das 2019 gegründete Startup QubeDot (Öffnet in einem neuen Tab), eine Ausgründung der TU Braunschweig, vermarktet solche Mikroskope bereits.
LEDs, die denken lernen
Doch die vielleicht faszinierendste Anwendung liegt in einem völlig anderen Bereich: dem neuromorphen Computing. Ein Forschungsteam der TU Braunschweig hat in Kooperation mit der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften (Öffnet in einem neuen Tab) einen optischen Mikro-LED-Prozessor mit 1.000 Neuronen entwickelt, der handschriftlich geschriebene Ziffern von null bis neun erkennen kann, ganz ohne konventionelle Mikroprozessoren. „Die Forscher bilden mit Mikro-LEDs ein menschliches Gehirn und seine vernetzten Neuronen nach“, erklärt Hartmann. „Neuromorphe Computer sind besonders gut in der Mustererkennung. Und sie haben einen sehr geringen Energieverbrauch.“
Ihr Prinzip ist ebenso elegant wie revolutionär: Jeder Pixel eines LED-Arrays entspricht einem Neuron. Die LEDs leuchten auf ein gegenüberliegendes Detektor-Array, wobei jede LED jeden Detektor erreichen kann. Das Ergebnis ist eine Art „optisches Gehirn“, das Muster ganzheitlich erfasst, ähnlich wie sein biologisches Vorbild. Die Forschenden versprechen sich Energieeinsparungen um den Faktor 1000 im Vergleich zu konventionellen, siliziumbasierten KI-Technologien. Auch hier wird der Technologietransfer gleich mitgedacht: Im Juni 2025 wurde die Synara Technologies GmbH (Öffnet in einem neuen Tab) gegründet, um optische Prozessoren marktfähig zu machen.
Region Braunschweig als Quantum Valley
Die Forschungsarbeiten am NTC sind eng verzahnt mit anderen wissenschaftlichen Einrichtungen der Region. Das benachbarte Forschungszentrum LENA (Öffnet in einem neuen Tab), der Exzellenzcluster QuantumFrontiers (Öffnet in einem neuen Tab) und das Quantum Valley Lower Saxony (Öffnet in einem neuen Tab) bilden ein einzigartiges Netzwerk. „Unsere Region ist hervorragend vernetzt. Gemeinsam mit der TU Braunschweig, der PTB und der Uni Hannover (Öffnet in einem neuen Tab) sind wir im Bereich der Quantentechnologie sehr stark aufgestellt“, betont Hartmann.
Und so liegt ein weiterer Forschungsschwerpunkt des NTC auf Laserdioden für Quantencomputer. Die hier entwickelten Galliumnitrid-Laserdioden erzeugen extrem schmalbandiges Licht und sind zugleich temperaturbeständig. Damit besitzen sie ideale Voraussetzungen für den Einsatz in Quantencomputern. „Im Zukunfts-Cluster QVLS iLabs (Öffnet in einem neuen Tab), der vermutlich 2026 in die zweite Förderperiode geht, wollen wir eine Laser-Diode entwickeln, die so schmalbandig ist, dass sie tatsächlich in Quantencomputern eingesetzt werden kann“, erklärt Hartmann. „Damit würden Quantencomputer deutlich kleiner werden.“
Zusammenarbeit mit der Industrie
Die Partnerschaft mit ams-OSRAM, einem der weltweit führenden LED-Hersteller, ist nicht nur für die Braunschweiger Forschenden von zentraler Bedeutung. „Wir haben hier technische Möglichkeiten, die so ein Unternehmen selbst nicht besitzt. Wir sind flexibler als eine Produktionsumgebung und können in unseren Maschinen relativ schnell neue Ideen testen“, beschreibt Hartmann die Vorteile der akademischen Forschung. Die Zusammenarbeit funktioniere seit vielen Jahren vertrauensvoll: „Wir überlegen gemeinsam, was man erforschen könnte und was davon praxistauglich ist.“
Neben der LED-Forschung arbeitet das NTC auch an sparsamen UV-LEDs, die umweltschädliche Quecksilber-Dampflampen ersetzen sollen. Die größte Herausforderung liegt bei all dem meist in der Energieeffizienz: „Wir möchten Mikro-LEDs genau so effizient machen wie herkömmliche LEDs. Doch das ist aufgrund der physikalischen Bedingungen gar nicht so einfach. Denn es gibt verstärkt Randeffekte, je kleiner etwas wird“, so Hartmann. „Dadurch geht am Ende doch wieder Energie in Form von Wärme verloren.“
Von der Lichterkette zur denkenden Maschine
Das NTC bildet eine Brücke zwischen universitärer Grundlagenforschung und produktorientierter Entwicklung. Dank hochmoderner Ausstattung steht Braunschweig an der Spitze der internationalen LED-Forschung. „Wir können neuartige LEDs von Anfang bis Ende bei uns im Haus herstellen, also vom puren Substrat bis zur fertigen LED, und sie wissenschaftlich vermessen. Das ist in diesem Bereich sehr selten und macht uns auch international bekannt“, resümiert Hartmann. Deshalb wollen sich die Braunschweiger WissenschaftlerInnen auch intensiv in die Hightech Agenda Deutschland (Öffnet in einem neuen Tab) einbringen, die vor kurzem verkündet wurde. Forschungsministerin Dorothee Bär hat darin Quantentechnologien und Mikroelektronik zu zwei der sechs Schlüsseltechnologien erklärt. In beiden Feldern ist das NTC stark aufgestellt.
Während also in diesen Tagen wieder Millionen LEDs in deutschen Wohnzimmern leuchten, arbeiten Braunschweiger Forschende bereits an einer Zukunft, in der aus einfachen Leuchtdioden intelligente Systeme werden. Systeme, die nicht nur Licht spenden, sondern lernen und komplexe Muster erkennen können. Von der energieeffizienten Weihnachtsdekoration zu Mikroskopen, Quantencomputern und künstlicher Intelligenz: Der Weg ist weit, doch die ersten Schritte sind bereits getan.
Text: Stephen Dietl, 23. Dezember 2025
Ergänzung: Seit Anfang 2026 fördern das Land Niedersachsen und die VolkswagenStiftung das NTC mit rund 15 Millionen Euro. Unter dem Projektnamen „Bringing Light to Micoelectronics“ (BRIGHT) entwickeln Forscherinnen und Forscher hier unter anderem einen einzigartigen neuromorphen Computer auf der Basis von LEDs. Dieser soll zukünftig den Stromverbrauch von KI-Anwendungen stark reduzieren.
