Physik-Nobelpreis für Licht

Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr an die Japaner Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und den US-Amerikaner Shuji Nakamura für die Erfindung effizienter blauer Leuchtdioden. Sie hätten damit die technische Grundlage für die rasante Verbreitung weißer LEDs gelegt, gab das Nobelpreiskomitee am heutigen Dienstag bekannt.

Rote und grüne Leuchtdioden gibt es bereits seit den 1960er Jahren. Leistungsstarke blaue LEDs sind aber erst seit einigen Jahren kommerziell verfügbar. Mischt man das Licht roter, grüner und blauer LEDs erhält man weißes Licht - die technische Grundlage für Beleuchtung mit LEDs. Doch die Entwickler mussten lange nach einem geeigneten Halbleiter-Materiali suchen, dessen Bandlücke groß genug ist. In den 1980er Jahren forschten viele Gruppen beispielsweise an Zinkselenid oder Siliziumcarbid. Sowohl Akasaki und Amano, die damals an der Nagoya University forschten, als auch Nakamura, der bei Nichia Chemicals arbeitete, waren in den 1980er Jahren überzeugt, dass Galliumnitrid der richtige Halbleiter für blaue Leuchtdioden sei.

Langwierige Prozedur

Die Halbleiter, aus denen die blauen Leuchtdioden gefertigt werden, sind jedoch alles andere als unproblematisch: Sie lassen sich nicht, wie etwa Silizium, aus einer geschmolzenen Phase in großen Einkristallen ziehen.

Galliumnitrid lässt sich aus Gasen erzeugen, die in eine Ofenkammer eingeschleust werden. In der Hitze brechen die Gasmoleküle auseinander. Dabei setzen sie Gallium- und Stickstoff-Atome frei, die sich beispielsweise auf einem Substrat aus Saphir langsam zu Galliumnitrid-Kristallen aneinander lagern. Es dauert jedoch Stunden, die vielen notwendigen Kristallschichten übereinander aufwachsen zu lassen, und jede zeigt dann eine etwas andere Struktur. Oft strahlen die so erzeugten Halbleiterschichten Licht etwas unterschiedlicher Farbe aus. Dazu kommt, dass das Material extrem spröde ist und sehr viele Fehlstellen aufweist, die unter anderem dafür sorgen, dass die Effizienz bei der Umwandlung von Strom in Licht stark herabgesetzt wird.

Der Stand der Technik wurde daher oftmals mit einer Mischung aus langjährigen Erfahrungen, wissenschaftlichen Grundlagen und handwerklichem Geschick nach vorne getrieben – was die Bedeutung einzelner Koryphäen auf diesem Gebiet erklärt.

Galliumnitrid-Kristalle

1986 gelang es Akasaki und Amano erstmals, Galliumnitrid auf einem Substrat aus Aluminiumnitrid wachsen zu lassen. Der so erzeugte Kristall war prinzipiell rein genug, um ihn in LEDs einzusetzen. Einige Jahre später konnten die beiden Forscher auch eine p-dotierte Galliumnitrid-Schicht herstellen.

Unabhängig davon gelang es Nakamura 1990 ebenfalls hinreichend gute Galliumnitrid-Kristalle zu züchten, indem er zunächst eine Kristallschicht bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen auf das Substrat wachsen ließ und dann die Temperatur erhöhte. 1993 präsentierte er seine erste blaue Leuchtdiode auf Basis von Galliumnitrid und nur zwei Jahre später die erste violette Laserdiode.

1999 siedelte Nakamura in die USA über. Er lehrt und forscht seitdem an der University of California, Santa Barbara und lieferte sich von seiner neuen Heimat aus einen jahrelangen, erbitterten Rechtsstreit mit seinem ehemaligen Arbeitgeber. Der juristische Streit um die Patente für die Herstellung blauer Leuchtdioden endete im Januar 2005 mit einem Vergleich: Nichia zahlte seinem ehemaligen Mitarbeiter Shuji Nakamura eine Kompensationszahlung von umgerechnet 6,2 Millionen Euro (840 Millionen Yen).

Bereits 2006 war Nakamura für die Erfindung der blauen LED mit dem Millenium Prize ausgezeichnet worden, der mit einer Million Dollar dotiert ist. In einem Interview mit Technolgy Review erklärte er damals, er wolle einen Teil des Geldes der Stiftung "Light up the World" zur Verfügung stellen, die Länder der dritten Welt mit energiesparenden Technologien unterstützt. (wst)