Weißes Licht aus leuchtenden Kristallen
Halbleiter aus Nitriden leisten nicht nur im DVD Player nützliche Dienste.
Wer schon einmal versucht hat, eine Glühbirne zu wechseln, hat die Schwäche derzeitiger Lampen gewiss zu spüren bekommen: Man verbrennt sich beim Anfassen die Finger, weil ungefähr 95 Prozent der elektrischen Energie in der Glühbirne als Wärme verpuffen. Leuchtstoffröhren arbeiten zwar deutlich effizienter -- sie verwandeln 20 bis 30 Prozent der eingespeisten elektrischen Energie in Licht -- doch selbst dieser Wirkungsgrad ist gering, verglichen mit dem Potenzial von Leuchtdiode. Eine LED kann –- zumindest theoretisch -– nahezu hundert Prozent ihrer elektrischen Energie in Licht umwandeln.
In der Praxis haben die Entwickler eine solche Perfektion zwar noch längst nicht bewerkstelligt. Aber der Wirkungsgrad der besten momentan erhältlichen weißen LEDs liegt immerhin schon zwischen dem Wirkungsgrad von Glühbirnen und Leuchtstoffröhren. Und während die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Beleuchtungsformen bereits ziemlich ausgereizt ist, lässt sich die Effizienz der Leuchtdioden weiter steigern.
Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Weißes Licht kann dabei erzeugt werden, indem das blaue oder ultraviolette Primärlicht moderner, so genannter Galliumnitrid-LEDs durch Leuchtstoffe (Phosphore) in die anderen Komponenten des sichtbaren Lichtes, nämlich gelb-grün und orange, umgewandelt wird. Leistungsstarke blaue LEDs auf der Basis von Galliumnitrid sind dabei erst seit einigen Jahren kommerziell verfügbar. Weißen LEDs, die im Moment hergestellt oder entworfen werden, kosten allerdings ein Vielfaches mehr als gewöhnliche Glühbirnen.
Denn die Halbleiter, aus denen die blauen Leuchtdioden gefertigt werden, sind alles andere als unproblematisch: Sie lassen sich beispielsweise nicht, wie etwa Silizium, aus einer geschmolzenen Phase in großen Einkristallen ziehen. Galliumnitrid, der Schlüsselbestandteil weißer LEDs, wird etwa in einem sehr heißen Ofen hergestellt. Es bildet sich aus Gasen, die man in die Ofenkammer einschleust. In der Wärme brechen die Gasmoleküle auseinander. Dabei setzen sie Gallium- und Stickstoff-Atome frei, die sich 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 anderen chemische 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.
Die bislang entwickelten Verfahren funktionieren längst nicht perfekt, denn viele der zu Grunde liegenden Herstellungsprozesse sind bislang nur unvollkommen verstanden. Der Stand der Technik wird daher oftmals mit einer Mischung aus langjährigen Erfahrungen, wissenschaftlichen Grundlagen und handwerklichem Geschick nach vorne getrieben - was den Ruf einzelner Koryphäen wie Shuji Nakamura erklärt: Shuji Nakamura hatte 1993 die erste blaue Leuchtdiode auf Basis von Galliumnitrid entwickelt und nur zwei Jahre später die erste violette Laserdiode auf dieser Basis präsentiert.
Seit 1999 hat der Japaner eine Professur in den USA inne, lieferte sich einen jahrelangen Rechtsstreit mit seinem ehemaligen Arbeitgeber um Kompensationszahlungen für seine Erfindungen und versucht seinen Erfolg zu reproduzieren. Jetzt experimentieren Nakamura und seine Gruppe mit Züchtungsverfahren, bei denen die Kristalle in einer bislang nicht verwendeten kristallographischen Richtung wachsen. Daraus konstruierten die Forscher nonpolare beziehungsweise semipolare Galliumnitrid-Leuchtdiode mit beeindruckender Effizienz, die außerdem nicht den berüchtigten "blue shift" - die Abhängigkeit der ausgesandten Wellenlänge von der Stromstärke - zeigen. Gewissermaßen als Bonus strahlt die nonpolare LED polarisiertes Licht ab, was sie zu einer 40 bis 70 Prozent effizienteren Lichtquelle für LC-Displays machen würde, da man keine Polarisationsfilter mehr zwischenschalten muss. Mit so genannten Microcavities - in das Halbleitermaterial geätzte regelmäßige Strukturen zur gezielten Lichtbeugung - wollen Nakamura und sein Team die Effizienz noch weiter steigern.
Nach einer Studie des amerikanischen Energieministeriums könnte ein breiter Einsatz weißer LEDs der nächsten Generation den Stromverbrauch bis 2025 weltweit um etwa zehn Prozent senken. Das würde die Stromrechungen jährlich um ungefähr 100 Milliarden Dollar verringern und Ausgaben von rund 50 Milliarden Dollar für den Bau von Kraftwerken überflüssig machen.
Von Wolfgang Stieler (wst)
