Physik: Nobelpreis für die Entwicklung der blauen LED

Mit der Entwicklung blauer LEDs gelang den Forschern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Suji Nakamura in den frühen 1990er Jahren nicht nur ein wissenschaftlicher Durchbruch, sondern sie läuteten eine bis heute andauernde Veränderung im Bereich der Beleuchtungstechnologie ein. Nun erhalten sie hierfür den Nobelpreis für Physik.

Der mit knapp 888.000 Euro dotierte Preis (PDF) gilt als höchste Auszeichnung der Wissenschaftsgemeinschaft. In den 50er Jahren entwickelten drei unabhängige Forschungsteams Leuchtdioden, welche rotes bis grünes Licht emittierten, ein Jahrzehnt später gingen diese bereits in die Fertigung. Weißes Licht war so jedoch nicht möglich. Die Entwicklung der dafür notwendigen blauen LEDs stellte sich als deutlich schwieriger heraus.

Leuchtdioden bestehen aus direkten Halbleitern, eingesetzt werden in erster Linie Galliumverbindungen, nicht leuchtende Dioden dagegen bestehen meist aus Silicium, Germanium oder Selen. Beim Anlegen einer Spannung kommt es zu einer Elektronenwanderung von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang, kommen die Elektronen an der p-dotierten Seite an, gehen diese in einen energetisch günstigeren Zustand über, dabei wird bei einem direkten Halbleiter die freiwerdende Energie als Photon, also als Licht, abgeben.

Erste Versuche für blaue LEDs basierten auf Zinkselenid und Siliciumcarbid, die Nutzung der hohen Bandlücken ermöglichte allerdings keine effiziente Lichtemission. Als Goldstandard stellte sich im Laufe der Forschungsarbeiten Galliumnitrid heraus, welches potentiell ein großes Spektrum emittieren kann. Als Problem stellte sich die Herstellung eines ausreichend großen GaN-Kristalls dar, in welchem eine p-n-Dotierung möglich ist. Galliumnitrid galt über Jahrzehnte hinweg als kaum zu kontrollierender Stoff, die Probleme ließen sich erst 1986 lösen. Durch die Kristallisation auf einem Saphir ließen sich Galliumnitrid-Kristalle mit der gewünschten Ausrichtung erzeugen, die gleichzeitig eine ausreichende Größe besitzen.

Shuji Nakamura entwickelte zeitgleich ein ähnliches Verfahren, bei welchem anstelle von Aluminiumnitrid eine kleine Menge Galliumnitrid die Kristallisation initiiert. Das zweite Hauptproblem, die kontrollierte p-Dotierung des erzeugten Kristalls, lies sich durch den Beschuss mit Elektronen (wie es etwa bei einer Untersuchung mit einem Elektronenmikroskop geschieht) lösen.