Physik-Nobelpreis 2014

Halbleiter für die leuchtende Zukunft

Von Manfred Lindinger
 - 17:43

Ohne Licht stünde es ziemlich düster um den Menschen. Früher hat er sich mit Feuer beholfen, mit Öllicht und Gaslampen, wenn es galt, Häuser und Straßen zu erhellen. Heute säßen wir ohne elektrische Lichtquellen im Dunkeln. Das Zeitalter der altbewährten Glühbirne gehört zumindest in Europa schon bald der Vergangenheit an, und ein ähnliches Schicksal ist in absehbarer Zeit wohl auch den klobigen Leuchtstoffröhren und den Energiesparlampen beschieden.

Die Zukunft gehört den Leuchtdioden, kurz LEDs, denn sie sind in vieler Hinsicht den herkömmlichen Leuchtmitteln überlegen. Sie sind leuchtstark und ungleich sparsamer und langlebiger. Während Glühbirnen weniger als fünf Prozent der elektrischen Energie in Licht umwandeln, schaffen es kommerzielle Leuchtdioden auf fast 40 Prozent. Ihre Haltbarkeit beträgt im Mittel zehn Jahre und länger.

Anfangs kamen als Anwendung vor allem einfarbige Anzeigen in Frage, da die LEDs noch nicht so stark und nur in den Farben Rot, Grün oder Gelb leuchteten. Im Laufe der Zeit gelang es den Materialforschern, diese Einschränkungen zu überwinden, und heute sind auch blau und weiß leuchtende Dioden überall erhältlich.

Die andere Art, Licht zu erzeugen

Zu verdanken ist das vor allem den japanischen Materialforschern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura, die für ihre Leistungen am Dienstag mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurden. Die drei Wissenschaftler erhalten die Auszeichnung für „die Entwicklung blaues Licht emittierender Dioden, die helle und energiesparende Lichtquellen ermöglichen“, begründete das Nobel-Komitee des Karolinska-Instituts in Stockholm seine Entscheidung.

Während Glühbirnen Licht auf thermischem Wege erzeugen und Leuchtstoffröhren sowie Energiesparlampen per Gasentladung, arbeiten Leuchtdiode nach einem ganz anderen Prinzip. Das Licht entsteht durch sogenannte Elektrolumineszenz in Halbleitermaterialien. Typisch für alle LEDs ist ihr sandwichartiger Aufbau. Zwischen zwei Elektroden sind dünne Schichten verschiedener Halbleiter eingebettet. Legt man eine Spannung an, wandern Elektronen und positive Ladungsträger, sogenannte Löcher, in die Mitte des Bauteils. Treffen sie dort aufeinander, zerstrahlen sie, wobei Licht entsteht. Bei welcher Wellenlänge, das hängt von der Art der verwendeten Halbleiter ab.

Mit Beharrlichkeit zur blauen LED

Leuchtdioden aus anorganischen Halbleitern gab es zwar schon in den sechziger Jahren zu kaufen. Die ersten Lichtquellen dieser Art emittierten aber nur rotes, gelbes und grünes Licht. Fieberhaft suchte man nach Wegen, den bekannten Halbleitermaterialien auch blaues Licht zu entlocken, denn eine blau leuchtende Diode wäre der Schlüssel zur Erzeugung weißen Lichts. Als Material kam der Verbindungs-Halbleiter Galliumnitrid in Frage. Seine elektrischen und optischen Eigenschaften schienen günstig.

Doch es erwies sich als sehr schwierig, daraus Halbleiter-Schichten in hoher Reinheit herzustellen, wie es für die Fertigung einer Leuchtdiode erforderlich ist. Zudem gelang es nicht, in das Material Fremdatome einzuschleusen, um zusätzliche Ladungsträger zu erzeugen. Dies ist aber eine wesentliche Bedingung für die Elektrolumineszenz.

Dass man Galliumnitrid trotz aller Schwierigkeiten zum Leuchten würde bringen können, davon waren Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura überzeugt. Während andere Forscher sich längst von Galliumnitrid abgewendet hatten, widmeten sich Akasaki und Amano an der Nagoya-Universität unbeirrbar jahrelang dem widerspenstigen Halbleiter. Im Jahr 1986 gelang es ihnen endlich, einen reinen Kristall auf einem Saphir-Substrat zu züchten. Wenige Jahre später schafften sie es, das Material gezielt mit Fremdatomen zu dotieren.

Überraschung unter dem Elektronenmikroskop

Als sie die Qualität des Galliumnitrid-Kristalls unter dem Elektronenmikroskop begutachten wollten, beobachteten sie ein blaues Leuchten. Offenkundig hatten die Elektronen des Instruments die Halbleiterprobe angeregt, so dass sie blaues Licht abstrahlte. Der Durchbruch war geschafft. 1992 präsentierten Akasaki und Amano die ersten blaue Leuchtdiode.

Ohne von den beiden zu wissen, arbeitete Shuji Nakamura bei Nichia Chemical Industries in Tokoshima ebenfalls an einer blauen Leuchtdiode. Er konnte erklären, warum der Galliumnitrid-Kristall im Labor seiner Landsleute unter dem Elektronenmikroskop geleuchtet hatte. Der Elektronenstrahl des Mikroskops hatte die störenden Wasserstoffatome aus dem Kristallgitter entfernt. Der Wasserstoff hatte die Leitfähigkeit des Materials beeinträchtigt. Nun war es nur noch ein kleiner Schritt, und 1994 kam die erste leistungsfähige blaue Leuchtdiode auf den Markt.

Kaum war die Nachricht von der ersten blauen japanischen Leuchtdiode in der Welt, machten sich auch andere Forscher an den Bau solcher Lichtquellen. Bald darauf gelang es mit der Kombination verschiedenfarbiger Leuchtdioden - inklusive der neuen blauen LED - weißes Licht zu erzeugen. Damit war die Voraussetzung für die breite Anwendung geschaffen, und weiße Leuchtdioden sind wegen ihrer Vorteile bei der Beleuchtung nicht mehr wegzudenken, obwohl sie mehr kosten als etwa Energiesparlampen. Der Grund ist die aufwendige Herstellung der perfekten Halbleiterkristalle für die LEDs.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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