Licht für die Welt

Am vergangenen Freitag wurde der Physiker Shuji Nakamura – mittlerweile Professor an der University of California in Santa Barbara – für die Entwicklung neuer, revolutionärer Lichtquellen mit dem mit einer Million Euro dotierten Millennium Technology Prize 2006 ausgezeichnet. Der japanische Wissenschaftler hatte Mitte der 90-er Jahre blaue, grüne und weiße Leuchtdioden (LED) und die ersten blaue Laserdiode (LD) auf der Basis des bis dahin kaum gebräuchlichen Halbleiters Galliumnitrid und seinen Legierungen mit Aluminium und Indium geschaffen.

Zudem entwickelte er eine neue Methode zur Herstellung von Halbleiterdioden, die eine viel bessere Materialqualität ermöglichte. Fachleute sprachen bei der Bekanntgabe des Gewinners im Juni dieses Jahres davon, das Nakamura den Heiligen Gral der Halbleiterforschung gefunden habe. Technology Review sprach mit Shuji Nakamura über die Bedeutung seiner Erfindung für die Dritte Welt, den Nachweis von biologischen Kampfstoffen und weitere Entwicklungsmöglichkeiten von LEDs und anderen Galliumnitrid-basierten Geräten, zum Beispiel für bessere Gleichrichter in Hybridautos.

Technology Review: Professor Nakamura, herzlichen Glückwunsch zum Millennium Technology Prize. Verraten Sie uns, woran Sie gerade forschen?

Shuji Nakamura:Vielen Dank. Derzeit arbeite ich an Galliumnitrid-basierten Geräten, insbesondere an optischen Geräten wie Leucht- und Laserdioden, wie zum Beispiel an LEDs mit neuartigen Strukturen. Das Problem dabei ist, dass es zur Zeit keine ausgedehnten Galliumnitrid-Kristalle gibt, also keine Galliumnitrid-Substrate. Wenn wir dieses Substrat hätten, könnten wir viel bessere Geräte entwickeln.

Bislang wachsen alle LEDs und LDs auf Saphir- oder Siliziumcarbid-Substraten. Das heißt aber, dass es durch die große Versetzung zwischen den Kristallstrukturen des Galliumnitrid und der Substrate auch viele Kristallgitterdefekte in der Galliumnitridschicht gibt. Die führen dazu, dass Geräte auf Galliumnitrid-Basis nicht so leistungsstark sind. Hätten wir ein Galliumnitrid-Substrat, könnten wir die Dichte der Defekte stark reduzieren, weil es keine Versetzung mehr zwischen der Galliumnitridschicht und dem Substrat gäbe. Wir könnten also die Leistung der Geräte noch stärker verbessern.

TR: Gibt es genügend Gallium für die Produktion der LEDs in großem Maßstab?

Nakamura: Für die LEDs reicht es wahrscheinlich. Gallium wird zusammen mit Aluminium gewonnen, und Aluminium gibt es reichlich auf der Erde. Für Galliumnitrid-basierte LEDs braucht man nur eine kleine Menge Gallium, weil wir sehr dünne, etwa vier Mikrometer dicke Galliumnitrid-Schichten auf Saphir- oder Siliziumcarbid-Substraten züchten.

TR: Was hat Ihre Galliumnitrid-basierten LED im Vergleich zu früheren Halbleitermaterialien wie Zinkselenid so erfolgreich gemacht?

Nakamura: Zinkselenid ist schwach und zerbrechlich. Wenn Sie einen Zinkselenid-Kristall berühren oder er mit Wasser in Berührung kommt, wird er zerstört. Einem Galliumnitrid-LED passiert hingegen noch nicht einmal etwas, wenn Sie ihn fallen lassen. Es ist ein sehr robustes Material, fast so hart wie Diamant. Und im Gegensatz zu Zinkselenid sehr stabil, sowohl unter hohen Temperaturen als auch unter Wasser. Galliumnitrid-LEDs haben auch reinere und hellere Farben. Zinkselenid ist blaugrün. Galliumnitrid dagegen ermöglicht blaue, grüne oder UV-LEDs.

TR: Einer der Hauptgründe für die Entscheidung des Komitees, Ihnen den Millennium Technology Prize zuzuerkennen war der, dass UV-LEDs eine sehr billige Möglichkeit der Wasseraufreinigung in Dritte-Welt-Ländern ermöglichen: Sie brauchen sehr wenig Strom, ein Photovoltaikelement auf dem Dach genügt. Wie werden die UV-LEDs eigentlich genau hergestellt?

Nakamura: Um blaue und grüne LEDs herzustellen, verwenden wir Galliumnitrid mit Indium. Für UV-LEDs geben wir entweder noch Aluminium zu dieser Kombination oder wir entfernen das Indium. Weil UV-Licht eine sehr hohe Photonenenergie besitzt, tötet es die Bakterien im Wasser ab und reinigt es auf diese Weise. Neben meinem Haus habe ich einen Teich mit Koi-Karpfen, den ich mit Hilfe einer Quecksilberlampe, die UV-Licht abstrahlt, von Bakterien frei halte.

Aber diese Lampe ist groß und schwer, ganz zu schweigen davon, dass sie mich 5000 Dollar gekostet hat. UV-LEDs dagegen sind sehr billig – kosten vielleicht ein Dollar pro Stück –, leicht und effizient. UV-LEDs wurden übrigens im Rahmen des DARPA-Projektes SUVOS für den Einsatz bei der Wasseraufreinigung und auch für die Detektion von biochemischen Kampfstoffen wie dem Anthrax-Gift entwickelt [Die DARPA ist die Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums, SUVOS steht für Semiconductor UV Optical Sources. Anm. d. Red.].

Stellen Sie sich die Soldaten im Irak vor, denen oft nur dreckiges Wasser zur Verfügung steht. Wenn sie das Wasser aus dem Fluss holen, können sie es mit Hilfe eines Spezialschlauches, der auf ihre Trinkbecher aufgesetzt wird und in dem ein Filter mit UV-LEDs eingesetzt ist, doch trinken.

TR: Und welcher Zusammenhang besteht zwischen den UV-LEDs und der Detektion von Anthrax?

Nakamura: Sie kennen ja Rauchmelder. Wir haben einen UV-LED-basierten Detektor für verschiedene biochemische Kampfstoffe wie das Anthrax-Gift entwickelt, der auf einem ähnlichen Prinzip beruht. Der Detektor enthält eine spezielle Chemikalie und UV-LEDs. Die Chemikalie absorbiert das unsichtbare UV-Licht der LEDs, wird aber davon nicht angeregt, strahlt also auch kein Licht wieder ab. Wenn aber ein Biokampfstoff wie Anthrax an die Chemikalie bindet, werden die beiden Substanzen vom UV-Licht doch angeregt und strahlen Licht mit einer bestimmten Farbe ab. Auf diese Weise kann jeder Biokampfstoff detektiert und identifiziert werden.

TR: Was kosten LEDs derzeit und welche Produkte sind mit ihnen möglich?

Nakamura: Die blauen und grünen LEDs kosten zwischen 10 und 20 US-Cent, die weißen LEDs vielleicht 50 US-Cent und die UV-LEDs einen Dollar. Die weißen werden zum Beispiel für die Hintergrundbeleuchtung von Handy-Displays verwendet. Blaue, grüne und rote LEDs gibt es in Fernsehern mit Flüssigkristallbildschirmen (LCD-TV), davon gibt es allerdings noch nicht viele. Vom kommenden Jahr an werden wir auch Autoscheinwerfer mit weißen LEDs haben. Weiße LEDs werden auch für die Innenbeleuchtung von Häusern einsetzbar sein.

Im übrigen kann man UV-LEDs nicht nur zur Reinigung von Wasser, sondern auch von Luft verwenden. Und dann gibt es noch die Möglichkeit, das Galliumnitrid nicht nur für LEDs, sondern zum Beispiel auch in Gleichrichtern von Hybridautos. Die wandeln den Wechselstrom, die der Motor erzeugt, in Gleichstrom um, mit dem die Batterie aufgeladen wird. Die in jetzigen Hybridwagen verwendeten Gleichrichter arbeiten mit Silizium-basierten Transistoren und sind so groß wie Videorekorder sind. Deshalb benötigen sie eine Wasserkühlung, weil sie mit hohen Temperaturen nicht zurechtkommen. Transistoren aus Galliumnitrid würden Gleichrichter ermöglichen, die nicht größer als meine Faust sind und ohne Wasserkühlung auskommen.

TR: Zwischen Ihnen und Ihrem früheren Arbeitgeber in Japan, Nichia Chemicals, gab es einen Rechtstreit wegen Ihrer Erfindung der blauen, grünen, weißen und UV-LEDs sowie des blauen Lasers. Wie bewerten Sie rückblickend, was da passiert ist?

Nakamura: Nun, zunächst mal hatten die mich verklagt. Nachdem ich an die University of California in Santa Barbara gewechselt bin, kamen sie in die USA und wollten, dass ich eine Geheimhaltungsvereinbarung über meine Erfindungen unterschreibe. Ich sagte, sprecht mit dem Anwalt der Universität, wenn der sagt, ich soll es unterschreiben, mach ich es. Sie haben mit ihm gesprochen, mich aber dann trotzdem wegen Brechens von Handelsgeheimnissen verklagt.

Schließlich wurde ich wütend und habe meine frühere Firma im Jahr 2001 sowohl in den USA als auch in Japan verklagt. 2004 habe ich in den USA gewonnen, 2005 in Japan. Das japanische Gericht urteilte, dass meine Rechte 700 Millionen Dollar wert wären. Ich wollte nur 200 Millionen Dollar beanspruchen. Doch dann rief Nichia Chemicals das Oberste Gericht von Japan an, und das bestimmte, dass wir einen Vergleich über sieben Millionen Dollar schließen sollten.

TR: Sie haben nach der Zuerkennung des Preises gesagt, dass Sie einen Teil des Preisgeldes Gruppen zur Verfügung stellen, die dabei helfen wollen, Festkörper-Beleuchtung (solid state lighting) in der Dritten Welt nutzbar zu machen. Wie soll das konkret aussehen?

Nakamura: Eine dieser Gruppen ist die Stiftung “Light up the world”, sie ist an der University of Calgary in Kanada beheimatet. Die andere Gruppe, von der University of Missouri, heißt „Engineering without borders“. Sie bringen zum Beispiel die weißen LEDs, die sich mit Hilfe von Solarstrom betreiben lassen und als Lichtquellen dienen können, zu armen Leuten nach Indien, Pakistan, in afrikanische und andere arme Länder – überall dorthin, wo es keine Elektrizität gibt. Man braucht nur noch eine Solarzelle auf dem Dach, um Strom für eine Batterie zu erzeugen, mit der dann die LEDs betrieben werden. So können die Kinder auch abends lernen. Die LEDs brauchen ja nur etwa drei Volt, und im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen verlieren sie nicht 90 Prozent der zugeführten Energie in Form von Wärmeabstrahlung, sondern nur etwa 50 Prozent.

TR: Wenn Sie in die Zukunft schauen, welche Herausforderungen gibt auf dem Gebiet der LED-Technologie noch zu lösen?

Nakamura: Es wäre toll, weiße LEDs zu haben, die zu 100 Prozent effizient sind, aber das ist schwer. Auf 90 Prozent könnten wir aber schon kommen. Dazu müssen wir sozusagen das Rezept für die Struktur der Galliumnitrid-LEDs abwandeln. (nbo)