Physik-Nobelpreis Neues Licht für die Beleuchtung

Am 27. November 1895 unterzeichnete der schwedische Erfinder und Unternehmer Alfred Nobel (Bild) seinen letzten Willen, indem er bestimmte, den größten Teil seines Vermögens für die Dotierung von Auszeichnungen für Personen zu verwenden, die „im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben“.

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an die japanischen Erfinder der blauen LED, Isamu Akasaki, Hirohishi Amano und Shuji Nakamura. Die drei Wissenschaftler hatten in den frühen 1990er Jahren etwas erreicht, was ihren Kollegen in Wissenschaft und Industrie seit dreißig Jahren trotz erheblicher Anstrengungen nicht gelungen war. Mit ihrer Erfindung haben Akasaki, Amano und Nakamuar den Grundstein für eine Transformation der Beleuchtungstechnik und damit auch der Beleuchtungsindustrie gelegt. Die im 20. Jahrhundert allgegenwärtigen Glühlampen können nun durch Halbleiterbauelemente mit weit höherem Wirkungsgrad ersetzt werden. Kürzlich wurde bei den weißen LEDs – blaue LEDs mit einer gelben Konversionsschicht – eine Lichtausbeute von 300 lm/W erreicht; Glühlampen erreichen hier maximal 16 lm/W, Leuchtstofflampen bringen es auf 70 lm/W. Da ein Viertel der weltweit produzierten Energie für die Beleuchtung benötigt wird, bietet die LED hier erhebliche Einsparmöglichkeiten.

Der erste Schritt: kristallines GaN

Die drei Wissenschaftler konzentrierten sich für die Realisierung der blauen LED auf den Verbindungshalbleiter Galliumnitrid (GaN). Zu Beginn der Forschungsarbeiten gab es weder die Möglichkeit, einen GaN-Kristall in ausreichender Qualität darzustellen, noch war es jemandem gelungen, p-dotierte GaN-Schichten zu realisieren, Voraussetzung für den Aufbau einer GaN-Diode. Erst im Jahr 1986 gelang es Akasaki und Amano an der Universität von Nagoya, GaN kristallin auf einer Aluminium-Nitrid-Schicht aufwachsen zu lassen, die wiederum auf einem Saphir-Substrat abgeschieden wurde. Bei den weiteren Forschungen stellten sie fest, dass bei der Unter­suchung der nur schwach ausgebildeten p-leitenden GaN-Schicht mit dem Rasterelektronenmikroskop die Leuchtdichte ihres LED-Bausteins anstieg, und sie vermuteten, dass der Elektronenstrahl die Effizienz der p-leitenden Schicht verbesserte. 1992 konnten die beiden Forscher die erste blau strahlende LED präsentieren.
Nakumara, der bei Nichia Chemicals tätig war, begann sein LED-Forschungsvorhaben im Jahr 1988. Er benötigte zwei Jahre, um hochwertige kristalline GaN-Schichten herzustellen. 1992 fand er eine Methode, die abschließende p-leitende GaN-Schicht ohne Modifikation der Schicht mit dem Elektronenstrahl herzustellen. Beide Forschungsgruppen arbeiteten in der Folgezeit daran, die Lichtausbeute der blauen LED weiter zu steigern; sie entwickelten verschiedene GaN-Verbindungen mit Aluminium oder Indium und die Struktur der LEDs wurde immer komplexer.