Gallium-Nitrid Die Vorteile der blauen LED in Optoelektronik und Beleuchtung

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Vor zehn Jahren ging der Nobelpreis für Physik an drei Forscher, die die Grundlagen der blauen LED erforscht hatten. Rückblickend war dies eine technische und materialwissenschaftliche Meisterleistung. Heute sind blaue LEDs nicht mehr wegzudenken.

Licht aus Halbleitern, den sogenannten LEDs, begegnen uns heute in vielen Anwendungen. Von preiswert bis hochwertig und nicht nur für die Beleuchtung lassen sich LEDs einsetzen. Sie sind langlebig, handlich und vor allem effizient. Rote und grüne LEDs für sichtbares Licht sowie infrarote LEDs gab es bereits in den 1960er Jahren. Mit ihnen ließ sich allerdings noch kein weißes Licht erzeugen.

Für weißes Licht ist blau als dritte Farbe notwendig. Die japanischen Forscher Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura entwickelten in den 1990er-Jahren die ersten leistungsfähigen blauen Leuchtdioden und damit die Grundlage für das effiziente weiße LED-Licht. Isamu Akasaki und Hiroshi Amano arbeiteten Ende der 1980er gemeinsam daran an der Universität von Nagoya, Shuji Nakamura war als Wissenschaftler bei dem Unternehmen Nichia Chemicals in Tokushima angestellt.

Grundlage für blaues Licht sind Gallium-Nitrid (GaN) und Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN). Ein wesentlicher Durchbruch gelang Akasaki und Amano durch die Verwendung einer Saphirschicht als Trägermaterial. Anstatt die aktiven Galliumnitrid-Schichten auf eine passive Basis des gleichen Materials aufzubringen, nutzten sie Saphir als Unterlage, was zu deutlich besseren Ergebnissen führte. Die drei japanischen Forscher erhielten dafür 2014 den Nobelpreis für Physik.

Blaues Licht benötigt eine große Bandlücke

Die Erzeugung von blauem Licht basiert auf der Halbleitertechnologie: Das Licht wird durch Elektronenübergänge in der Bandlücke des Materials erzeugt. Gallium-Nitrid verfügt über eine breite Bandlücke von etwa 3,4 eV, die sich ideal zur Erzeugung des blauen Spektrums bei Wellenlängen von 450 bis 460 nm eignet. Eine große Bandlücke bedeutet, dass die Elektronen eine höhere Energie in Form von Licht abgeben – ein entscheidender Punkt, da blaues Licht sehr kurzwellig und entsprechend energiereich ist.

Moderne blaue LEDs verwenden Quantenfilme und Mehrschichtstrukturen (Heterostrukturen) aus GaN und AlGaN, welche die Effizienz steigern und den Energieverlust minimieren.

Freier Weg für neue Anwendungsfelder

Mit der Umsetzung von blauen LEDs war es möglich, weißes Licht aus der Kombination aus blauen und gelben Leuchtstoffen zu erzeugen. Blaue LEDs in Kombination mit Phosphorbeschichtungen bilden die Grundlage für weiße LED-Leuchten. Neben Leuchten kommen weiße LEDs in Displays zum Einsatz. Blaue LEDs sind wegen ihrer hohen Frequenzen und geringen Wellenlängen ideal für einige Anwendungen in der optischen Kommunikation und Messtechnik. Typischerweise liegt die Frequenz von blauem Licht im Bereich von etwa 6,5⋅10¹⁴ Hz.

Allerdings verfügen blaue LEDs auch über Nachteile: So erzeugen sie höhere Wärmemengen im Gegensatz zu anderen LED-Farben. Bei höheren Temperaturen und einem bedingten schlechteren Wärmemanagement sinkt die Lebensdauer blauer LEDs. Außerdem ist der Einsatz von GaN und die notwendige exakte Kristallstruktur erfordern teure und aufwendige Fertigungsmethoden.

Die aktuelle Forschung und Entwicklung

Aktuelle Forschungen bei den blauen LEDs drehen sich darum, die Wärmeabgaben zu senken. Dazu forscht man an alternative Materialien wie Zinkoxid (ZnO) und an GaN-basierten nanostrukturierten LEDs zur Steigerung der Effizienz. Mit einer verbesserten Phosphorkombination soll weißes Licht dem natürlichen Farbspektrum näher kommen. (heh)

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