Mit Blaulicht zur weißen Revolution

Weitgehend unbemerkt vollzieht sich eine stille Revolution: Leucht- und Laserdioden verändern die Welt der Beleuchtung, der Displays und der optischen Speicher grundlegend und rasch. Auf drei Milliarden Dollar belief sich 2004 der weltweite LED-Markt. Bis 2007 soll er auf 4,7 Milliarden Dollar wachsen, schätzt die kalifornische Consultingfirma Strategies Unlimited. Seit 1995 legt der Markt Jahr für Jahr mit zweistelligen Raten zu.

Ob in Taschenlampen, Handy-Displays oder Rücklichtern und Bremsleuchten von Autos – Leuchtdioden sind alltäglich geworden. Sie erhellen Autoarmaturen, speisen den Blitz in Kamerahandys und hängen als Großbild-Displays in Sportstadien. Und es gibt sie in allen Farben: weiß, rot, gelb, grün – und blau. Das Blau spielt eine besondere Rolle. Es ist die Farbe eines technologischen Trends, der vor 15 Jahren begann. Damals hatten sich Forscher weltweit auf die Suche nach der „blauen Laserdiode” gemacht. Blaues Licht galt als „Heiliger Gral” bei der Entwicklung von Lasern aus Halbleitermaterialien.

Schneller als erwartet hat die Forschung diesen Gral gefunden. Blaue Laser- und blaue Leuchtdioden sind heute Stand der Technik – vor allem dank eines altbekannten, aber neu entdeckten Halbleitermaterials: Galliumnitrid (GaN). Seit zehn Jahren dreht sich die Halbleiterwelt um diesen Werkstoff, der zuvor ein Dasein als Mauerblümchen fristete. Leuchtdioden (LEDs) aus diesem Material sind dabei, Beleuchtung und Lichterzeugung gründlich umzuwälzen. In den USA hat diese Revolution bereits einen Namen: „ Solid-State Lighting” – Festkörperlicht. Genauer gesagt ist es Licht aus einem halbleitenden Material. Jede LED enthält einen wenige Millimeter kleinen Kristall, der bei Stromfluss Licht aussendet. Solche Leuchtkristalle entstehen in einem aufwendigen Fertigungsprozess, bei dem man die Moleküle Schicht um Schicht aufwachsen lässt.

Es hängt vom Material ab, welche Farbe der Kristall aussendet. Physiker sprechen von der Bandlücke – einer für jeden Kristall charakteristischen Größe. Je größer die Bandlücke, desto kürzer ist die Wellenlänge des emittierten Lichts. Die erste Laserdiode, die 1962 gleichzeitig von Forschern bei IBM und General Electric entwickelt wurde, strahlte rot. Das Material, eine Mischung aus Galliumarsenid und Galliumphosphid, hatte eine kleine Bandlücke. 3200 Dollar kosteten die ersten Rotlichtlaser. Heute werden diese Bauteile, die sich etwa in CD- und DVD-Spielern verbergen, millionenfach hergestellt. Kosten: weniger als ein Euro pro Stück.

Über viele Jahre blieb es beim roten Halbleiterlicht aus Galliumarsenid. Erst Ende der Achtzigerjahre kam Bewegung in das Halbleitergeschäft. CD-Spieler (mit roter Laserdiode) brachten mehr und mehr Umsatz, die PC- und Internet-Revolution kündigte sich an. Auf der Wunschliste der großen Unternehmen der Unterhaltungselektronik rutschte die Blaulichtdiode ganz nach oben. Der Grund: Mit einem blauen Laser könnte man viermal so viele Daten auf einer CD unterbringen wie mit einem (längerwelligen) roten Laser. Sony, Philips und andere Firmen sahen deshalb den blauen Laser als „strategisches Bauteil” für die künftige Unterhaltungselektronik.

Es begann eine stürmische Entwicklung. Mit Millionenaufwand machten sich über ein Dutzend Forschergruppen in Industriefirmen und an Universitäten, vor allem in Japan und den USA, an die Arbeit. 1994 hatten elf Teams, acht davon aus der Industrie, den blauen Laser nachweisen können. Sony führte das Feld an, und Experten wetteten darauf, dass das japanische Unternehmen das Rennen machen würde. Doch auch Experten können sich irren. Ein unbekannter Ingenieur aus der japanischen Provinz, Angestellter in einem kleinen mittelständischen Chemiewerk, zog an allen vorbei. Dieser „Niemand” war Shuji Nakamura, sein damaliger Arbeitgeber hieß Nichia. Heute sind Forscher und Unternehmen weltweit bekannt.

Nakamura hatte Erfolg, weil er sich abseits ausgetretener Pfade bewegte. Alle Wettbewerber hatten auf Zinkselenid (ZnSe) gesetzt – ein kapriziöses Material, wie die Forscher bald feststellen mussten. Ihre ZnSe-Laser lebten nicht lange genug. Sony erreichte maximal 500 Stunden Dauerbetrieb. Nakamura hingegen versuchte es mit Galliumnitrid, das die meisten Forscher als „zu schwierig” verworfen hatten.

Ende 1993 lieferte Nichia kommerzielle blaue LEDs auf GaN-Basis aus. Die Fachleute waren von den Socken, denn Nichias blaue Dioden leuchteten hundertmal stärker als die bereits vorhandenen blauen LEDs aus Siliziumkarbid. Zwei Jahre später hatte Nakamura den Prototyp einer blauen Laserdiode gebaut. 1999 brachte seine Firma die ersten kommerziellen blauen (genauer gesagt: blauvioletten) Laserdioden – mit einer Lebensdauer von rund 10 000 Stunden – auf den Markt.

Heute beherrscht Galliumnitrid unangefochten das Feld. Kaum jemand forscht noch an Zinkselenid. Auf beiden Feldern erfolgreich ist das Team von Detlef Hommel, Professor und Leiter des Instituts für Festkörperphysik an der Universität Bremen. Hommel, der aus der ZnSe-Forschung kommt, meinte noch 1994: „ Galliumnitrid liegt 10 bis 15 Jahre hinter Zinkselenid zurück.” Heute hält Nakamura als Honorarprofessor der Bremer Universität Vorlesungen vor Hommels Studenten über Galliumnitrid. Und vor drei Jahren baute auch Hommels Team, als Erstes in Europa, eine blaue Laserdiode – natürlich auf der Grundlage von GaN.

Anfang der Neunzigerjahre arbeiteten nur zwei Forscher an GaN-Emittern: Shuji Nakamura bei Nichia und Isamu Akasaki von der Meijo Universität, beide in Japan. Heute erforschen, entwickeln und produzieren weltweit über 500 Firmen, Institute und Unilabors GaN-Produkte. Asiatische Länder – Japan, Taiwan und Korea – liefern den Löwenanteil der weltweit verkauften Leucht- und Laserdioden. Zwei der „Big Five”, der fünf größten Unternehmen auf diesem Gebiet, kommen aus Japan: Nichia natürlich, groß geworden durch Nakamuras Forschung, und Toyoda Gosei, das sich auf Akasakis Patente stützt. Zwei andere innovative Firmen stammen aus den USA: Cree und Lumileds – Letzteres ein gemeinsames Unternehmen von Philips und Hewlett Packard. Und ganz oben spielt auch ein deutsches Unternehmen mit: Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

Motor dieses Fortschritts ist das lange verkannte Galliumnitrid. Damit erhält man nicht nur blauviolettes Licht. Setzt man dem Material Indium und Aluminium zu, lässt sich zudem die Bandlücke und damit die Farbe des ausgesandten Lichts in weiten Bereichen einstellen: von ultraviolett über violett, blau, grün und gelb bis fast in den roten Farbbereich. Damit sind LEDs inzwischen in nahezu allen brillanten satten Farben vorhanden. Forscher und Entwickler setzen alles daran, die Lichtausbeute weiter zu erhöhen. Ohnehin sind die heutigen LEDs um ein Vielfaches heller als die schwachen Funzeln, die man seit Langem als Anzeigelämpchen etwa in elektrischen Geräten und Computern findet. Heute geht es um Hochleistungs- und Ultrahochleistungs-LEDs.

Diese Leuchtdioden stecken in großen Vollfarbenbildschirmen, die an Hochhäusern an Tokios belebten Plätzen hängen. Aus 18 Millionen roten, grünen und blauen LEDs besteht das riesige Display – 27 mal 37 Meter groß –, das am New Yorker Times Square das Gebäude der Technologiebörse Nasdaq ziert. Monitore mit strahlend blauem Hintergrund machen Handys zu Hinguckern. Dahinter stecken LEDs – genau wie hinter den Leuchttastaturen vieler neuer Mobiltelefone.

Etliche amerikanische und japanische Kommunen haben mittlerweile Verkehrsampeln auf LEDs umgerüstet. Ganz vorn steht Kalifornien. Santa Barbara, wo Nakamura heute als Professor forscht, hat alle Ampeln auf einen Betrieb mit Leuchtdioden umgestellt. Landesweit, schätzt die kalifornische Regierung, arbeitet die Hälfte aller Ampeln mit Leuchtdioden. Das spart etwa 60 Megawatt an elektrischer Leistung – und damit wohl einige zehn Millionen Dollar pro Jahr an Stromkosten.

Auch in Autos stecken immer mehr Leuchtdioden. Sie werden bereits seit einigen Jahren für Blinker, Brems- und Rücklichter benutzt. Doch das ist erst der Anfang: Japanische Hersteller von Autoelektronik gehen davon aus, dass ab 2006 die gesamte Autobeleuchtung, inklusive der Frontscheinwerfer, auf der Basis von LEDs realisiert werden kann.

Autos mit kompletter LED-Beleuchtung erfordern natürlich Weißlichtdioden. Sie sind auch der Schlüssel dazu, wenn man Wohnung und Büro auf Festkörperlicht umstellen will. Das weiße Licht ist daher der neue „Heilige Gral” der Beleuchtungsforscher. Es lässt sich auf zwei Wegen erzeugen – und bei beiden spielt die blaue Diode eine entscheidende Rolle:

• Man kombiniert drei LEDs in den Grundfarben rot, grün und blau oder zwei LEDs, deren Farben komplementär sind, etwa blau und gelb. Das Ergebnis: weißes Licht.

• Man legt über eine blaue LED eine Schicht aus Phosphor-Leuchtstoff. Ein Teil des blauen Lichts regt die Phosphor-Atome an, die ein breites Farbspektrum mit gelb als Schwerpunkt aussenden. Der Rest des Lichts, der unverändert blau durch die Schicht hindurch tritt, mischt sich mit dem gelben Anteil zu einem Weißton. Der enthält zwar viel blau und gelb, kommt aber dem Sonnenlicht recht nahe.

Die Forscher bemühen sich derzeit vor allem darum, die Effizienz der Weißlichtdiode zu steigern. Man misst sie in Lumen pro Watt (lm/W) – ein Maß dafür, wie viel Licht das Auge für ein Watt an elektrischer Energie erhält. Glühlampen bringen es auf 20 lm/W, Halogenleuchten auf 30, Leuchtstoffröhren auf fast 70 lm/W. Heutige Weißlichtdioden haben die Halogenleuchten überholt. Die besten schaffen 50 lm/W. Nakamura ist zuversichtlich, dass die Effizienz in den nächsten Jahren noch höher wird.

Die Verbesserung der LEDs ist eine technische Aufgabe – Stichwort: Steigerung der Lichtauskopplung. Die Energie des elektrischen Stroms wird im Kristall in Licht umgesetzt. Heraus kommt aber immer nur ein Teil davon – und der kann im schlimmsten Fall nur wenige Prozent umfassen. Man muss also mit pfiffigen Tricks das Licht herauskitzeln: Geometrie und Struktur des Kristalls optimieren, reflektierende Schichten aufbringen, andere Materialien verwenden – das sind Stellschrauben, an denen die Forscher drehen können.

Bei LEDs der Firma Osram etwa sitzt die lichtemittierende Halbleiterschicht auf einem dünnen Metallfilm, der zusätzlich als Spiegel dient. Mit dieser Dünnfilmtechnologie ließ sich die Effizienz nicht nur der weißen, sondern aller LEDs verdoppeln. Ein neueres Beispiel stammt aus dem Rensselaer Polytechnic Institute in Troy (USA). Hier konnten Forscher in der Gruppe von Fred Schubert – einem aus Deutschland stammenden Physiker und renommierten LED-Experten – die Lichtausbeute weißer LEDs um 15 Prozent steigern, indem sie die Phosphorschicht neu anordneten. Sie sitzt nicht direkt auf dem Kristall, sondern etwas oberhalb davon.

Der Fortschritt des letzten Jahrzehnts ist beachtlich, zieht Norbert Stath, Leiter Innovationsmanagement bei Osram, die Bilanz: Wandelte sich früher nur jedes zehnte Elektron im Kristall in Licht um, ist es heute jedes vierte. Nur ein Viertel des entstehenden Lichts ließ sich damals aus dem Kristall auskoppeln. Heute sind es drei Viertel. Auch die Kosten pro Lumen sind gesunken: von 2 Euro auf 10 Cent.

Geht es so weiter, werden LEDs in 10 bis 15 Jahren im Beleuchtungssektor die Führung übernehmen, schätzen Branchenanalytiker. Allerdings: Ob es wirklich so kommen wird, hängt stark von den Kosten ab. Noch sind Leuchtdioden deutlich teurer als die gängigen Lichtquellen. Doch sie haben erhebliche Vorteile: eine lange Lebensdauer (bis zu 100 000 Stunden), einen geringen Wartungsaufwand und einen niedrigen Stromverbrauch.

Trotz – noch – hoher Kosten dürften sich LEDs auch deshalb durchsetzen, weil sie eine völlig neue Art von Beleuchtung ermöglichen. Die Lichtquellen der Zukunft sind klein und flach. Sie hängen nicht an Decken und stehen nicht im Zimmer herum. Sie lassen sich direkt in Möbel integrieren oder als Lichttapete an die Wand kleben. Und sie können ihre Farbe ändern und der Umgebung anpassen. Smart lighting – intelligente Beleuchtung – heißt die Zukunftsvision. Smart Lighting, sagt der amerikanische LED-Pionier Arpad Bergh voraus, „kann die Farbe des Tageslichts – tagsüber bläulich, abends rötlich – nachbilden. Das hätte positive Auswirkungen auf die Psyche der Menschen und ihre Leistungsfähigkeit.”

„Leuchtdioden sind eine dankbare Technologie”, sagt Fred Schubert. Schwierigkeiten macht dagegen die Laserdiode aus GaN. Leucht- und Laserdioden entlocken das Licht prinzipiell den gleichen Halbleiterstrukturen. Doch sind bei einer Laserdiode die Anforderungen an Material und Herstellung wesentlich höher: Sie besteht aus mehr Schichten, toleriert weniger Verunreinigungen und weniger Kristalldefekte.

Kurzfristig geht es bei der Weiterentwicklung der blauen Laserdiode vor allem um die neue Generation von DVD-Geräten, die derzeit auf den Markt kommt. Sie sind mit blauviolett leuchtenden Lasern ausgestattet, deren Licht eine Wellenlänge von 405 Nanometern (nm) besitzt. Damit lassen sich Daten enorm dicht auf einer DVD speichern, denn je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner der Flächenbedarf pro Informationseinheit. Eine herkömmliche CD wird mit einer infraroten Laserdiode (780 nm) beschrieben und fasst knapp ein Gigabyte an Daten. Die Speicherkapazität von bisherigen DVDs, die mit einer roten Laserdiode (640 nm) beschrieben und gelesen werden, liegt bei 4,7 Gigabyte.

Mit der blauvioletten Laserdiode lassen sich 25 Gigabyte auf eine Scheibe packen, die genauso groß ist wie eine herkömmliche CD oder DVD. Das reicht für 13 Stunden Video in Fernsehqualität oder für über zwei Stunden Film im hoch auflösenden HDTV-Format. Angeboten werden auch Discs mit zwei Speicherschichten und Platz für 50 Gigabyte, und im Juni 2005 stellte die japanische Firma TDK sogar den Prototyp einer Speicherscheibe mit vier Schichten und 100 Gigabyte Kapazität vor. Darauf lassen sich etwa neun Stunden hoch auflösendes Videomaterial unterbringen. Doch mit der blauen Laserdiode ist auch wieder der Krieg um Standards entbrannt. Firmen wie Sony, Pioneer und Matsushita haben sich auf einen Standard namens Blu-Ray Disc verständigt. Toshiba und NEC verfolgen unter dem Namen HD-DVD einen anderen Weg.

Die grüne Laserdiode fehlt noch. Sie wäre beispielsweise nötig, um ein Laserfernsehen zu realisieren, bei dem rote, grüne und blaue Laserdioden das TV-Bild an die Wand „zeichnen”. Was bei der LED so einfach geht – das Farbspektrum durch Hinzufügen von Indium in Richtung grün zu verschieben –, funktioniert bei der Laserdiode schlecht. Viele Unternehmen setzen deshalb auf ein Hilfskonstrukt: Mit einem speziellen Kristall wird die Frequenz einer infraroten Laserdiode verdoppelt. So wird aus infrarotem grünes Laserlicht – ein aufwendiges und teures Verfahren.

Weltweit suchen Forscher daher zurzeit nach einfacheren technischen Lösungen. Nachdem der Kampf ums blaue Festkörperlicht erfolgreich geschlagen ist, haben sie mit der grünen Laserdiode ein neues Ziel vor Augen. ■

Heinz Horeis, ständiger bdw-Autor, ist vom „blauen Licht” fasziniert, seit Nakamura ihm in einer Tokioter Sushibar den ersten Blaulichtlaser vorführte.

Heinz Horeis