Physik-Nobelpreis für die blaue LED

Nobelpreis für ein neuartiges Leuchtmittel: Die Erfindung, für die die drei japanischen Forscher Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura den diesjährigen Physik-Nobelpreis erhalten, hat längst Einzug in unseren Alltag gehalten. Denn die von ihnen entwickelte blaue LED erst ermöglichte es, weißes Licht mit Leuchtdioden zu erzeugen.

Sie sind heute nicht mehr wegzudenken: Längst schon leuchten LEDs in fast allen Gerätedisplays, sorgen für ein helles Bild im Fernseher und machen unsere Räume hell. Die ersten Leuchtdioden wurden bereits in den 1950er Jahren erfunden und erweisen sich als enorm effizient und energiesparend.

Grundlage ihrer Leuchtkraft ist ein Halbleiterkristall mit spezieller Dotierung – Fremdatomen im Kristall, die in einer Schicht für einen Elektronenüberschuss, in der anderen für einen Mangel – die sogenannten Löcher – sorgen. Fließt durch diese Halbleiter Strom, dann können sich die Elektronen mit den Löchern kombinieren und geben dabei Energie in Form von Licht ab. Das Halbleitermaterial bestimmt dabei, welche Wellenlänge das ausgesendete Licht hat – und damit auch, welche Farbe das Licht einer LED hat.

Das Herz einer LED bildet ein Halbleiter © Nobel Foundation

Die Jagd nach dem blauen Licht

Doch es gab ein Problem dabei: Um die LEDs als effizientes Leuchtmittel einsetzen zu können, brauchte man weißes Licht. Doch trotz vieler Versuche gelang es zunächst nur, Licht längerer Wellenlänge zu erzeugen: rot, gelb und grün. Jahrzehnte lang suchten Forscher in aller Welt nach Möglichkeiten, blaue und UV-LED zu produzieren, zunächst aber vergeblich.

Auch die drei diesjährigen Preisträger experimentierten mit verschiedenen Halbleitern, um endlich ein Material zu finden, das bei Elektronenfluss blaues Licht abgibt. Um dies zu erreichen, musste die bei der Rekombination der Elektronen mit den Löchern abgegebene Energie besonders hoch sein. Das ist dann der Fall, wenn die sogenannte Bandlücke, der Energieunterschied zwischen den Zuständen der Elektronen, groß ist.

Basteln mit Galliumnitrid

Isamu Akasaki und Hiroshi Amano arbeiteten Ende der 1980er gemeinsam daran an der Universität von Nagoya, Shuji Nakamura war als Wissenschaftler bei dem kleinen Unternehmen Nichia Chemicals in Tokushima angestellt. Schnell war ihnen klar, dass Galliumnitrid der beste Halbleiter für die gesuchte LED war, auch wenn andere Forscher zu dieser Zeit Zinkselenid für die bessere Wahl hielten.

Aufbau der blauen LED © Nobel Foundation

Aber die Herstellung der benötigten Kristalle war ein Problem: Sie ließen sich mit den bisher gängigen Methoden nicht in der nötigen Qualität herstellen. 1986 dann gelang Akasaki und Amano der Durchbruch: Als sie eine Schicht von Aluminiumnitrid auf eine Saphiroberfläche auftrugen, ließen sich darauf die gesuchten Kristalle züchten. Durch einen Zufall entdeckten sie dann zwei Jahr später, dass die Bestrahlung des Kristalls mit einem Elektronenstrahl im Elektronenmikroskop genau die Dotierungen und Feinstrukturen schafft, die für blaues Licht nötig waren. 1992 schließlich präsentierten die beiden Forscher ihre erste blau leuchtende LED.

Nakamura gelangte fast zur gleichen Zeit ans Ziel, wählte aber eine etwas andere Methode: Er züchtete erst eine dünne Schicht Galliumnitrid, die er dann durch entsprechende Anpassung der Temperaturen immer dicker werden ließ. Statt eines Elektronenstrahls erhitzte er den Halbleiter, um ihm die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Unabhängig von Akasaki und Amano gelang es ihm so ebenfalls, eine blaue LED zu erzeugen.

Weg für für weißes Licht

Diese Erfindung ebnete endlich den Weg zu weißen, leistungsfähigen LEDS – und schuf damit die Voraussetzung für viele der Anwendungen, die heute für uns nahezu alltäglich sind. Weißes Licht kann mit Hilfe der Bauen LEDs auf zwei verschiedenen Weise erzeugt werden: Entweder kombiniert man sie mit einer roten und grünen, so dass sich ihr Licht zu weiß ergänzt. Oder aber man nutzt nur die blaue LED und versieht sie mit einer Schicht aus Phosphor. Dieses wird durch das energiereiche Licht der LED angeregt und gibt dann seinerseits rotes und grünes Licht ab – und ergänzt so das Spektrum des blauen Lichts zu weiß.

„Die Erfindung der blauen LED ist gerade erst 20 Jahre alt, aber schon jetzt hat sie dazu beigetragen, weißes Licht in einer ganz neuen Weise zu erzeugen, von der wir alle profitieren“, heißt es in der Presseerklärung des Nobelpreis-Komitees. Weil LEDs erheblich weniger Strom verbrauchen als herkömmliche Leuchtmittel, könnten sie dazu beitragen, den Energieverbrach der Menschheit zu senken.

(nobelprize.org, 07.10.2014 – NPO)