Weißes Licht für das 21. Jahrhundert

Blaue LEDs

von Prof. Dr. Jürgen Brickmann

Supersparsame Lampen

Weißes LED-Licht (von Light Emitting Diode) hat längst seinen Einzug in unseren Alltag an­getreten. Jedes Automobil, dessen Produktions­datum in den letzten zehn Jahren liegt, ist mit sogenannten Tageslichtscheinwerfern ausgestattet, die weißes LED-Licht abstrahlen. Überdimensio­nale Fernseh- schirme an Hauswänden verbreiten Filmmaterial auf LED-Basis, die Blitzlichter von Smartphones beruhen auf dem LED-Prinzip und Ampelanlagen verwenden zunehmend LED-Technologie (siehe Abb.1).

Die Baumarktregale sind voll von LED-Energiesparleuchten, die Tageslicht vortäuschen. Die Reihe der Beispiele ließe sich beliebig fortsetzen. Die LED-Leuchten verbrauchen bei gleicher Lichtausbeute nur einen Bruchteil der Energie herkömmlicher Glühlampen und Leuchtröhren (siehe Abb.2).

Wenn man berücksichtigt, dass weltweit etwa ein Viertel des Energieverbrauchs Beleuchtungs­zwecken dient, dann wird augenscheinlich, welch enormes Einsparungspotentzial in der LED-Technologie schlummert. Zudem enthalten diese Leuchten keine Giftstoffe wie andere Energiesparlampen – ein wichtiges Faktum, wenn man das Re­cy­c­ling bedenkt. Doch noch ein Vorteil: Eine herkömmliche Glühlampe hat eine Brenndauer von etwa 1.000 Stunden, eine Fluoreszenzröhre lebt etwa 10.000 Stunden während bei einer LED mit 100.000 Stunden Lebensdauer gerechnet wird.

Weißes Licht mit blau emittierender LED

Den beschriebenen Technologiesprung hat die Menschheit drei Forschern zu verdanken, die dafür von der Königlichen Schwedischen Akademie der Wissenschaften mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik ausgezeichnet werden: die Japaner Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura (siehe Abb.4). Die Forscher haben vor 22 Jahren die Grundlage für LEDs geschaffen, die blaues Licht emittieren. Zusammen mit den LEDs, die rotes und grünes Licht emittieren, ergibt sich damit die Möglichkeit, weißes Licht mit hoher Intensität zu erzeugen.

Funktionsweise einer LED

Grundsätzlich ist die Funktionsweise von allen LEDs ähnlich (siehe Abb.3).

Sie basiert auf der klugen Kombination von n- und p-Halbleitern, einer Technik, die seit den späten 40er-Jahren beim Aufbau von Transis­toren genutzt wurde (Nobelpreis an Shockley, Bardeen und Brattain 1956). n-Halbleiter sind solche, bei denen Elektronen, die im Kristall ­lokalisiert sind, ins sogenannte Leitungsband (ein Bereich im Elektronenenergiespektrum, in dem sich die Elektronen leicht bewegen lassen) gelangen und damit zur Leitfähigkeit beitragen. Bei p-Halbleitern werden Elektronen aus dem sogenannten Valenzband zu lokalisierten Elektronenzuständen angeregt, und die entstehenden Elektronenlöcher bewirken die Leitfähigkeit. Das Grundprinzip für alle LEDs ist somit gleich, der Unterschied manifestiert sich in den unterschiedlichen Halbleitermateria­lien. Hier liegt das eigentliche Problem. Für grün und rot emittierende LEDs wurden schon in den 50er- und 60er-Jahren Lösungen gefunden, doch für blau emittierende Dioden suchten die Forscher lange nach den richtigen Materialien. Dies gelang den diesjährigen Laureaten zu Beginn der 90er-Jahre des letzten Jahrhunderts nach 30-jährigen Anstrengungen. Aufbau und Funk­tions­weise einer blau emittierenden Diode sind in Abbildung 4 wiedergegeben.

Weißes Licht kann auf zweierlei Weise erzeugt werden: Entweder durch Einbringung von Phosphor, der grün und rot fluoresziert und ­einen Teil des blauen Lichts umwandelt oder durch Kombination von rot, grün und blau emittierenden Dioden.

Planung und Zufall

Auch wenn das Grundprinzip der Funktionsweise einer Licht emittierenden Diode seit mehr als 60 Jahren bekannt war, hat es relativ lange gedauert, bis eine blaues Licht emittierende Diode mit akzeptierbarer Effizienz realisiert werden konnte. Der Grund dafür ist einfach und jeder Festkörperchemiker und Materialforscher weiß ein Lied davon zu singen: Mit modernen Rechen­verfahren und heutigen Supercomputern lassen sich die Bandstrukturen von Festkörpern be­liebiger Zusammensetzung und Strukturen mit hinreichender Genauigkeit vorausberechnen. Auf der Basis solcher Rechnungen können ­Materialien ausgewählt werden, die sich als Ausgangsmaterialien für LEDs eignen könnten. Damit hat man diese Materialien jedoch noch nicht in ausreichender Reinheit hergestellt und zusammen mit anderen in einer Schichtstruktur angeordnet. Die drei Laureaten hatten in den späten 80er-Jahren sicher nicht die Computer­kapazität heutiger Tage zur Verfügung. Sie waren sich aber wohl sicher, Galliumnitrid als Ausgangsmaterial zu verwenden. Nach vielen Versuchen gelang es Akasaki mit seinem damaligen Doktoranden Amano erstmalig, qualitativ hochwertige GaN-Kristalle auf einer mit Aluminium Nitrid beschichteten Saphirunterlage aufwachsen zu lassen. Ein paar Jahre später gelang ihnen dann der Durchbruch durch die Erzeugung einer p-type-Schicht. Damit war die Basis für eine blaues Licht emittieren Diode gelegt. Einen weiteren Durchbruch lieferte der Zufall: Akasi und Amano untersuchten ihre Proben standardmäßig in einem Elektronenmikroskop und stellten zu ihrer Überraschung fest, dass die Dioden nach dem Elektrodenbeschuss viel effektiver arbeite­ten. Nakamura, der ebenfalls mit GaN arbeite­ten, jedoch einen anderen Weg zur Kristallzüchtung gewählt hatte, lieferte die Erklärung dafür: Der Elektronenstrahl hatte die Protonen, die sich noch als Verunreinigung im Material befanden und die der Bildung einer p-type Schicht entgegenstanden, entfernt.

Ausblick

Die ausgezeichneten Forscher haben die Basis für viele technologische Entwicklungen gelegt. Sie entwickelten den blauen Laser auf der Grundlage ihrer Erkenntnisse. Mit diesem Laser können viermal so viel Informationen auf einer CD gespeichert werden als unter Verwendung von Infrarot-­Lasern. Aber weitaus wichtiger als dieser Fortschritt ist ein anderer: LED-Lampen könnten 1,5 Mrd. Menschen, die heute noch nicht mit elektrischer Energie über ein Netz versorgt werden, Licht in die Finsternis bringen – versorgt durch billige Solarstromanlagen.

JB

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