- LEDs erhalten ihre Farbe nicht durch ihre Kunststoffabdeckung.
Und das sieht man, denn hier ist eine transparente LED,
die ebenfalls in der gleichen roten Farbe leuchtet.
Die Farbe des Lichts wird
von der Elektronik selbst bestimmt.
Das Gehäuse hilft uns lediglich dabei, verschiedene LEDs voneinander zu unterscheiden.
Im Jahr 1962 entwickelte der Generalelektroingenieur Nick Holonyak
die erste sichtbare LED.
Es leuchtete schwach rot.
Einige Jahre später entwickelten Ingenieure von Monsanto
eine grüne LED.
Aber jahrzehntelang hatten wir nur diese beiden Farben.
Daher konnten LEDs nur in Dingen wie Anzeigen,
Taschenrechnern und Uhren verwendet werden.
Wenn wir nur Blau herstellen könnten , dann könnten wir
Rot, Grün und Blau zu Weiß und
jeder anderen Farbe mischen und so
LEDs für jede Art von Beleuchtung auf der Welt freischalten,
von Glühbirnen über Telefone und Computer bis hin zu
Fernsehern Werbetafeln.
Aber Blau war fast unmöglich herzustellen.
(dramatische Musik)
In den 1960er Jahren kämpften
alle großen Elektronikunternehmen der Welt,
von IBM über GE bis hin zu Bell Labs,
um die Entwicklung der blauen LED.
Sie wussten, dass es Milliarden wert sein würde.
Trotz der Bemühungen Tausender Forscher
funktionierte nichts.
10 Jahre, nachdem aus Holonyaks ursprünglicher LED
20, dann 30 wurden, schwand
die Hoffnung, jemals LEDs als Licht zu verwenden, dahin.
Laut einem Direktor von Monsanto
werden diese niemals das Küchenlicht ersetzen.
Sie wurden nur in Geräten, Armaturenbrettern von Autos
und Stereoanlagen verwendet, um festzustellen, ob die Stereoanlage eingeschaltet war.
Dies könnte auch heute noch gelten , wenn es nicht einen Ingenieur gäbe,
der sich der gesamten Branche widersetzte
und drei radikale Durchbrüche erzielte,
um die erste blaue LED der Welt zu entwickeln.
(dramatische Musik)
Shūji Nakamura war Forscher bei einem kleinen japanischen
Chemieunternehmen namens Nichia.
Sie hatten sich kürzlich auf die Produktion
von Halbleitern ausgeweitet, die bei der Herstellung
roter und grüner LEDs verwendet werden.
Doch Ende der 1980er Jahre befand sich
die Halbleitersparte in den letzten Zügen.
Sie konkurrierten
in einem überfüllten Markt mit weitaus etablierteren Unternehmen und verloren. Die
Spannungen nahmen zu.
Jüngere Mitarbeiter flehten Nakamura an, neue Produkte zu entwickeln,
während ältere Mitarbeiter seine Forschung als Geldverschwendung bezeichneten.
Und bei Nichia war das Geld knapp.
Nakamuras Labor bestand hauptsächlich aus Maschinen, die
er selbst zusammengesucht und zusammengeschweißt hatte.
Phosphorlecks in seinem Labor führten zu so vielen Explosionen,
dass seine Kollegen nicht mehr nach ihm schauten.
1988 waren Nakamuras Vorgesetzte
von seiner Forschung so desillusioniert, dass sie ihm sagten, er solle aufhören.
Aus Verzweiflung
unterbreitete er dem Firmengründer
und Präsidenten Nobuo Ogawa einen radikalen Vorschlag.
(dramatische Musik)
Die schwer fassbare blaue LED, an der
Unternehmen wie Sony, Toshiba und Panasonic
alle gescheitert sind.
Was wäre, wenn Nichia diejenige wäre, die es erschaffen könnte?
Nachdem Ogawa mehr als ein Jahrzehnt lang Verluste nach Verlusten bei seinen Halbleitern erlitten hatte
,
ging es ein Wagnis ein.
Er investierte 500 Millionen Yen oder 3 Millionen US-Dollar,
wahrscheinlich etwa 15 % des Jahresgewinns des Unternehmens,
in Nakamuras Moonshot-Projekt.
Jeder wusste, dass LEDs das Potenzial haben,
Glühbirnen zu ersetzen,
denn Glühbirnen, das universelle Symbol für eine gute Idee,
sind eigentlich schlecht darin, Licht zu erzeugen.
Sie funktionieren, indem sie Strom durch einen Wolframfaden leiten,
der so heiß wird, dass er glüht.
Aber der größte Teil der elektromagnetischen Strahlung
kommt als Infrarotstrahlung, also als Wärme, heraus.
Nur ein vernachlässigbarer Anteil ist sichtbares Licht.
Im Gegensatz dazu steht LED für Light Emitting Diode.
Es steckt direkt im Namen.
LEDs erzeugen hauptsächlich Licht und sind daher weitaus effizienter.
Eine Diode ist lediglich ein Gerät mit zwei Elektroden,
das den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt.
So funktioniert eine LED.
Wenn Sie ein isoliertes Atom haben, besetzt
jedes Elektron in diesem Atom ein diskretes Energieniveau.
Man kann sich diese Energieniveaus wie einzelne Sitze
in einem Hockeystadion vorstellen,
und alle Atome desselben Elements verfügen,
wenn sie weit voneinander entfernt sind, über
identische verfügbare Energieniveaus.
Aber wenn man mehrere Atome zu einem Festkörper zusammenbringt,
passiert etwas Interessantes.
Die äußersten Elektronen spüren nun den Pol
nicht nur ihres eigenen Kerns,
sondern auch aller anderen Kerne.
Und als Folge davon verschieben sich ihre Energieniveaus.
Anstatt identisch zu sein,
werden sie zu einer Reihe eng beieinander liegender,
aber getrennter Energieniveaus.
Ein Energieband.
Das Band mit der höchsten Energie, in dem sich Elektronen befinden,
wird als Valenzband bezeichnet,
und das Band mit der nächsthöheren Energie
wird als Leitungsband bezeichnet.
Man kann es sich wie die Balkonebene vorstellen.
Bei Leitern ist das Valenzband nur teilweise gefüllt.
Das bedeutet, dass Elektronen mit ein wenig Wärmeenergie
in nahegelegene freie Stellen springen können.
Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird,
können sie von einer freien Stelle zur nächsten springen
und Strom durch das Material leiten.
In Isolatoren ist das Valenzband voll
und der Energieunterschied zwischen Valenz-
und Leitungsband, die Bandlücke, ist groß.
Wenn also ein elektrisches Feld angelegt wird, können sich keine Elektronen bewegen. Im Valenzband
gibt es keine freien Plätze,
an die man sich bewegen kann,
und die Bandlücke ist zu groß, als dass Elektronen
in das Leitungsband springen könnten,
was uns zu Halbleitern bringt.
Halbleiter ähneln Isolatoren,
nur dass die Bandlücke viel kleiner ist.
Das bedeutet, dass bei Raumtemperatur
einige Elektronen über genügend Energie verfügen, um
in das Leitungsband zu springen,
und nun problemlos auf nahegelegene freie
Plätze zugreifen und Strom leiten können.
Darüber hinaus können sich auch die leeren Plätze, die sie
im Valenzband hinterlassen haben, verschieben.
Eigentlich sind es die Elektronen in der Nähe, die
in diese leeren Plätze springen.
Aber aus der Ferne sieht
es so aus, als würde sich der leere Sitz oder das leere Loch
wie eine positive Ladung in die entgegengesetzte
Richtung zu den Elektronen im Leitungsband bewegen.
(leise Musik)
Reine Halbleiter sind an sich nicht so nützlich.
Um sie wesentlich funktionaler zu machen,
müssen Sie dem Gitter Fremdatome hinzufügen.
Dies wird als Doping bezeichnet.
Beispielsweise
können Sie in Silizium eine kleine Anzahl von Phosphoratomen hinzufügen.
Phosphor ähnelt Silizium und
passt daher leicht in das Gitter,
bringt jedoch ein zusätzliches Valenzelektron mit.
Dieses Elektron befindet sich in einer Donorebene
direkt unterhalb des Leitungsbandes.
Mit etwas Wärmeenergie
können alle diese Elektronen in das Leitungsband springen
und Strom leiten.
Da die meisten Ladungen, die sich
in dieser Art von Halbleiter bewegen können, Elektronen sind,
die negativ sind, wird
diese Art von Halbleiter als n-Typ bezeichnet,
n für negativ,
aber ich sollte darauf hinweisen, dass der Halbleiter
selbst immer noch neutral ist.
Es ist nur so, dass die meisten
Mobilfunkladungsträger negativ sind.
Es sind Elektronen.
Es gibt also auch einen anderen Typ von Halbleitern, bei dem
die meisten mobilen Ladungsträger positiv sind,
und er wird p-Typ genannt.
Um Silizium vom p-Typ herzustellen,
fügt man eine kleine Anzahl Atome beispielsweise von Bor hinzu.
Bor passt in das Gitter,
bringt aber ein Valenzelektron weniger mit als Silizium.
Es entsteht also ein leeres Akzeptorniveau
direkt über dem Valenzband.
Und mit etwas Wärmeenergie
können Elektronen aus dem Valenzband springen und
Löcher hinterlassen.
Es sind diese positiven Löcher, die hauptsächlich
für die Stromführung im p-Typ-Halbleiter verantwortlich sind.
Auch hier ist das Material insgesamt ungeladen,
lediglich die meisten mobilen Ladungsträger
sind positive Löcher.
Interessant wird es, wenn man ein Stück
p-Typ und n-Typ zusammenfügt.
Ohne dies auch nur an einen Stromkreis anzuschließen,
diffundieren einige Elektronen von n nach p
und fallen in die Löcher im p-Typ.
Dadurch ist der p-Typ etwas negativ
und der n-Typ leicht positiv geladen. In einem inerten Materialstück
herrscht nun also ein elektrisches Feld
.
Elektronen diffundieren weiter,
bis das elektrische Feld so groß wird, dass
es sie nicht mehr überqueren kann.
Und jetzt haben wir die Depletion-Region etabliert,
ein Gebiet, in dem es keine mobilen Ladungsträger mehr gibt. Im Leitungsband
gibt es keine Elektronen
und im Valenzband keine Löcher.
Wenn Sie eine Batterie falsch herum an diese Diode anschließen,
erweitert sie einfach den Verarmungsbereich,
bis ihr elektrisches Feld dem
der Batterie vollkommen entgegengesetzt ist und kein Strom mehr fließt.
Wenn man jedoch die Polarität der Batterie umdreht,
verkleinert sich die Verarmungszone,
das elektrische Feld nimmt ab
und Elektronen können von n nach p fließen.
Wenn ein Elektron aus dem Leitungsband in ein Loch
im Valenzband fällt, kann diese Bandlückenenergie
als Photon emittiert werden.
Die Energieänderung des Elektrons wird als Licht abgestrahlt,
und so funktioniert eine Leuchtdiode.
Die Größe der Bandlücke bestimmt die Farbe
des emittierten Lichts.
In reinem Silizium beträgt die Bandlücke nur 1,1 Elektronenvolt.
Das freigesetzte Photon ist also nicht sichtbar, sondern Infrarotlicht.
Diese LEDs werden tatsächlich in Fernbedienungen
für Ihren Fernseher verwendet und Sie können sie mit der Kamera festhalten. Wenn Sie
das Spektrum nach oben betrachten, können Sie sehen, warum die ersten
LEDs mit sichtbarem Licht rot und dann grün waren
und warum Blau so hart war.
Ein Photon blauen Lichts benötigt mehr Energie
und daher eine größere Bandlücke.
In den 1980er Jahren,
nachdem Hunderte Millionen Dollar für die Suche
nach dem richtigen Material ausgegeben worden waren, stand jedes Elektronikunternehmen mit leeren
Händen da.
Aber die Forscher hatten zumindest
die erste entscheidende Voraussetzung herausgefunden: hochwertige Kristalle.
Unabhängig davon, welches Material Sie für die blaue LED verwendeten, war
eine nahezu perfekte Kristallstruktur erforderlich.
Jegliche Defekte im Kristallgitter
stören den Elektronenfluss.
Anstatt ihre Energie als sichtbares Licht abzustrahlen,
wird sie stattdessen als Wärme abgegeben.
Der erste Schritt in Nakamuras Vorschlag an Ogawa
bestand also darin, nach Florida zu verschwinden.
Er kannte dort einen alten Kollegen, dessen Labor begann,
eine neue Kristallherstellungstechnologie namens
Metal Organic Chemical Vapour Deposition (
MOCVD) einzusetzen.
Ein MOCVD-Reaktor, im Wesentlichen ein riesiger Ofen,
war und ist die beste Möglichkeit, saubere Kristalle in Massenproduktion herzustellen.
Dabei werden Dampfmoleküle
Ihres Kristalls in eine heiße Kammer injiziert, wo sie
mit einem Grundmaterial namens Substrat reagieren und Schichten bilden.
Es ist wichtig, dass das Substratgitter zum
darauf aufgebauten Kristallgitter passt,
um einen stabilen, glatten Kristall zu erzeugen.
Das ist eine präzise Kunst.
Die Kristallschichten müssen oft
nur ein paar Atome dünn sein.
Nakamura war ein Jahr lang im Labor, um MOCVD zu beherrschen.
Aber seine Zeit dort war miserabel.
Er durfte das funktionierende MOCVD nicht verwenden,
also verbrachte er zehn seiner zwölf Monate damit, ein neues System
fast von Grund auf aufzubauen.
Schlimmer noch, seine Laborkollegen mieden ihn,
weil Nakamura weder einen Doktortitel
noch wissenschaftliche Arbeiten auf seinem Namen hatte,
da Nichia keine Veröffentlichung erlaubte.
Seine Laborkollegen, allesamt Doktoranden,
taten ihn als einfachen Techniker ab.
Diese Erfahrung gab ihm Kraft.
Nakamura schrieb: „Ich bin verärgert,
wenn Leute auf mich herabblicken.
Ich habe mehr Kampfgeist entwickelt.
Ich würde nicht zulassen, dass mich solche Leute schlagen.“
(inspirierende Musik)
Er kehrte 1989 mit zwei Dingen in der Hand nach Japan zurück.
Erstens eine Bestellung für einen brandneuen MOCVD-Reaktor für Nichia
und zweitens der brennende Wunsch, seinen Doktortitel zu erlangen.
Damals konnte man in Japan einen Doktortitel erlangen,
ohne an die Universität gehen zu müssen, indem man
einfach fünf Aufsätze veröffentlichte.
Nakamura wusste schon immer, dass seine Chancen,
die blaue LED zu erfinden, gering waren.
Aber jetzt hatte er einen Ersatzplan.
Auch wenn es ihm nicht gelingen sollte, könnte er zumindest seinen Doktortitel erlangen.
Aber nun stellte sich die Frage,
welches Material er erforschen sollte, nachdem er MOCVD in der Tasche hatte.
Zu diesem Zeitpunkt hatten Wissenschaftler die Optionen
auf zwei Hauptkandidaten eingegrenzt: Zinkselenid und Galliumnitrid.
Dies waren beide Halbleiter mit Bandlücken,
theoretisch im blauen Lichtbereich.
Zinkselenid war die weitaus erfolgversprechendere Option.
Als es in einem MOCVD-Reaktor gezüchtet wurde,
wies es nur eine Gitterfehlanpassung von 0,3 %
mit seinem Substrat, Galliumarsenid, auf.
Daher wies der Zinkselenidkristall etwa tausend
Defekte pro Quadratzentimeter auf, was
innerhalb der Obergrenze für die LED-Funktion lag.
Das einzige Problem bestand darin, dass Wissenschaftler zwar
mehrere verschiedene
Wege zur Herstellung von Zinkselenid vom n-Typ herausgefunden hatten,
niemand jedoch wusste, wie man Zinkselenid vom p-Typ herstellt.
Im Gegensatz dazu wurde Galliumnitrid aus
drei Gründen von fast allen aufgegeben.
Erstens war es viel schwieriger, einen hochwertigen Kristall herzustellen.
Das beste Substrat für die Züchtung von Galliumnitrid war Saphir,
dessen Gitterfehlanpassung jedoch 16 % betrug.
Dies führte zu höheren Defekten,
über 10 Milliarden pro Quadratzentimeter.
Das zweite Problem bestand darin, dass Wissenschaftler wie Zinkselenid
Galliumnitrid vom n-Typ bisher nur aus Silizium hergestellt hatten.
P-Typ war schwer zu fassen.
Und drittens müsste eine blaue LED, um kommerziell nutzbar zu sein,
eine Gesamtlichtleistung
von mindestens tausend Mikrowatt haben.
Das sind zwei
Größenordnungen mehr, als jemals ein Prototyp erreicht hatte.
Bei den beiden Kandidaten
konzentrierten sich also fast alle Forscher auf Zinkselenid.
Nakamura überblickte das überfüllte Feld
und kam zu dem Schluss, dass er sich besser auf Galliumnitrid konzentrieren sollte, wenn er
allein fünf Artikel veröffentlichen wollte
,
wo die Konkurrenz viel weniger groß war.
Berühmt wurde dieses Material vor allem durch
eine Entwicklung im Jahr 1972,
als der RCA-Ingenieur Herbert Maruska eine winzige
blaue Galliumnitrid-LED herstellte, die jedoch schwach und ineffizient war.
Deshalb kürzte RCA das Budget des Projekts und nannte es eine Sackgasse.
20 Jahre später hatte sich die wissenschaftliche Meinung nicht geändert.
Als Nakamura an der größten Konferenz für angewandte Physik
in Japan teilnahm, hatten die Vorträge über Zinkselenid
über 500 Teilnehmer.
Die Gespräche über Galliumnitrid hatten fünf.
(dramatische Musik)
Zwei dieser fünf Teilnehmer waren die Weltexperten
für Galliumnitrid, Dr. Isamu Akasaki
und sein ehemaliger Doktorand, Dr. Hiroshi Amano.
Im Gegensatz zu Nakamuras akademischem Hintergrund
waren sie Forscher an der Universität Nagoya,
einer der besten Japans.
Einige Jahre zuvor hatten sie
beim ersten Problem mit hochwertigem Kristall einen Durchbruch erzielt.
Anstatt Galliumnitrid direkt auf Saphir aufzuwachsen,
züchteten sie zunächst eine Pufferschicht aus Aluminiumnitrid.
Dieses hat einen Gitterabstand, der zwischen dem
der anderen beiden Materialien liegt, was es einfacher macht,
einen sauberen Galliumnitridkristall darauf zu züchten .
Das einzige Problem bestand darin, dass das Aluminium Probleme
für den MOCVD-Reaktor verursachte, was die
Skalierung des Prozesses erschwerte.
Aber Nakamura war zu diesem Zeitpunkt noch nicht einmal annähernd dran.
Zurück in Nichia gelang es ihm nicht einmal, Galliumnitrid
in seinem neuen MOCVD-Reaktor normal wachsen zu lassen.
Nach sechs Monaten, verzweifelt auf der Suche nach Ergebnissen,
beschloss er, die Maschine auseinanderzunehmen
und selbst eine bessere Version zu bauen.
Seine zehn Monate, die er mit dem Zusammenbau des Reaktors in Florida verbrachte,
waren plötzlich von unschätzbarem Wert.
Er begann, jeden Tag der gleichen Routine zu folgen und
kam um 7:00 Uhr morgens im Labor an.
Verbringen Sie die erste Hälfte
des Tages damit, den Reaktor zu schweißen, zu schneiden und neu zu verkabeln.
Verbringen Sie den Rest des Tages damit,
mit dem modifizierten Reaktor zu experimentieren, um herauszufinden, was er leisten kann.
Um 19:00 Uhr nach Hause gehen, zu Abend essen, waschen und schlafen.
Nakamura wiederholte diese Routine jeden Tag und
nahm sich keine Wochenenden
und keine Feiertage außer Neujahr,
dem wichtigsten Feiertag in Japan.
(leise Musik)
Nach anderthalb Jahren ununterbrochener Arbeit
kam er an einem Wintertag Ende 1990 ins Labor.
Wie üblich bastelte er morgens herum,
züchtete nachmittags eine Galliumnitridprobe
und testete sie.
Aber dieses Mal war die Elektronenmobilität viermal höher
als bei jedem Galliumnitrid, das jemals direkt auf Saphir gewachsen war.
Nakamura nannte es den aufregendsten Tag seines Lebens.
Sein Trick bestand darin, dem MOCVD-Reaktor eine zweite Düse hinzuzufügen
.
Die Galliumnitrid-Reaktantengase waren
in der heißen Kammer aufgestiegen und
vermischten sich mit der Luft zu einem pulverförmigen Abfall.
Aber die zweite Düse gab einen nach unten gerichteten Strom
aus Inertgas ab, der den ersten Strom am Substrat festhielt und
einen gleichmäßigen Kristall bildete.
Jahrelang hatten Wissenschaftler vermieden, der MOCVD einen zweiten Strom hinzuzufügen,
weil sie dachten, dass dies nur zu
mehr Turbulenzen führen würde.
Aber Nakamura verwendete eine spezielle Düse,
so dass die Ströme auch dann laminar blieben, wenn sie sich vereinigten
.
Er nannte seine Erfindung den Zweistromreaktor.
Jetzt war er bereit, es mit Akazaki und Amano aufzunehmen,
aber anstatt ihre Aluminiumnitrid-Pufferschicht zu kopieren,
ermöglichte ihm sein Zwei-Fluss-Design, Galliumnitrid
so glatt und stabil zu machen, dass es selbst
als Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat verwendet werden konnte .
Dies wiederum führte zu einem noch saubereren Kristall
aus Galliumnitrid auf der Oberseite,
ohne die Probleme mit Aluminium.
Nakamura verfügte nun über die hochwertigsten
Galliumnitridkristalle, die jemals hergestellt wurden.
Doch gerade als er anfing,
nahmen die Dinge eine schiefe Wendung.
(dramatische Musik)
Während seines Aufenthalts in Florida
war Nobuo Ogawa von Nichia zurückgetreten, um Vorsitzender zu werden.
Zu seiner Zeit war Nobuo ein risikofreudiger Wissenschaftler und
entwarf die ersten Produkte des Unternehmens.
Deshalb unterstützte er die ganze Zeit über Nakamuras hochfliegende Pläne.
Doch an seiner Stelle wurde sein Schwiegersohn Eji Ogawa
CEO des Unternehmens,
und der jüngere Ogawa hatte eine viel strengere Einstellung.
Ein Nichia-Kunde sagte:
„Er hat einen stählernen Verstand
und erinnert sich an alles.“
Im Jahr 1990 besuchte ein leitender Angestellter von Matsushita,
einem LED-Hersteller und Nichias größtem Kunden,
das Unternehmen, um einen Vortrag über blaue LEDs zu halten.
Darin behauptete er, Zinkselenid sei der Weg in die Zukunft und
erklärte: „Galliumnitrid hat keine Zukunft.“
Noch am selben Tag erhielt Nakamura eine Nachricht von Eji, dass die
Arbeiten an Galliumnitrid sofort eingestellt werden sollten.
Eji hatte die Forschung nie unterstützt
und wollte das beenden, was er als kolossale Verschwendung ansah.
Aber Nakamura zerknüllte die Notiz und warf sie weg,
und das tat er immer wieder,
als eine Reihe ähnlicher Notizen
und Telefonanrufe von der Unternehmensleitung eingingen.
Aus Trotz veröffentlichte er seine Arbeit über den Zweistromreaktor
ohne Nichias Wissen.
Es war seine erste Arbeit.
Einer runter, noch vier.
Nachdem die Kristallbildung geklärt war,
wandte er sich dem zweiten Hindernis zu und
schuf Galliumnitrid vom p-Typ.
Hier hatten Akazaki und Amano ihn erneut geschlagen.
Sie hatten eine
mit Magnesium dotierte Galliumnitridprobe hergestellt, die sich jedoch zunächst
nicht wie erwartet als p-Typ verhielt.
Nachdem es jedoch einem Elektronenstrahl ausgesetzt wurde,
verhielt es sich nach 20 Jahren des Versuchs tatsächlich wie ein p-Typ,
das weltweit erste p-Typ-Galliumnitrid
.
Der Haken war, dass niemand wusste, warum es funktionierte.
Und der Prozess, jeden Kristall
mit Elektronen zu bestrahlen, war für eine kommerzielle Produktion zu langsam.
Zunächst kopierte Nakamura den Ansatz von Akazaki und Amano,
vermutete jedoch, dass der Elektronenstrahl übertrieben war.
Vielleicht brauchte der Kristall nur Energie.
Deshalb versuchte er, mit Magnesium dotiertes Galliumnitrid
in einem als Glühen bezeichneten Prozess auf 400 Grad Celsius zu erhitzen.
Das Ergebnis ist eine vollständig p-Typ-Stichprobe.
Dies funktionierte sogar besser als der flache Elektronenstrahl,
der nur die Oberflächen der Proben zum p-Typ machte,
und das einfache Aufheizen war ein schnell skalierbarer Prozess.
Seine Arbeit enthüllte auch, warum der P-Typ so schwierig war.
Um Galliumnitrid
mit MOCVD herzustellen, liefert man den Stickstoff aus Ammoniak,
aber Ammoniak enthält auch Wasserstoff.
Wo im mit Magnesium
dotierten Galliumnitrid Löcher hätten sein sollen,
schlichen sich diese Wasserstoffatome ein,
verbanden sich mit dem Magnesium und verstopften alle Löcher. Durch die
Zugabe von Energie zum System wurde
der Wasserstoff aus dem Material freigesetzt, wodurch
die Löcher wieder frei wurden.
(dramatische Musik)
Nakamura hatte inzwischen alle Zutaten,
um einen Prototypen einer blauen LED herzustellen,
und er präsentierte ihn 1992 auf einem Workshop in St. Louis
und erhielt stehende Ovationen.
Er begann sich einen Namen zu machen,
aber obwohl er den bis dahin besten Prototypen geschaffen hatte,
hatte dieser eher eine blauviolette Farbe
und war
mit einer Lichtleistung
von nur 42 Mikrowatt,
deutlich unter den 1000 Mikrowatt, immer noch äußerst ineffizient Schwelle für den praktischen Einsatz.
Bei Nichia war die Geduld des neuen CEO am Ende.
Eji schickte Nakamura schriftliche Anweisungen, mit dem Basteln aufzuhören
und alles, was er hatte, in ein Produkt umzuwandeln.
Sein Job stand auf dem Spiel,
aber in Nakamuras eigenen Worten: „Ich habe seinen Befehl immer wieder ignoriert.
Ich hatte Erfolg gehabt, weil ich nicht
auf die Anweisungen des Unternehmens gehört und meinem eigenen Urteilsvermögen vertraut habe.“
Zu diesem Zeitpunkt stand ihm nur noch die dritte Hürde bevor:
Seine blaue LED auf eine Lichtleistung
von tausend Mikrowatt zu bringen.
(leise Musik)
Ein bekannter Trick, um die Effizienz von LEDs zu steigern,
bestand darin, am pn-Übergang eine Mulde zu erzeugen,
eine dünne Materialschicht, die als
aktive Schicht bezeichnet wird und
die Bandlücke ein wenig verkleinert.
Dies regt dazu an, dass mehr Elektronen
vom Endleitungsband in Löcher
im Valenzband vom p-Typ fallen. Es war bereits bekannt, dass
die beste aktive Schicht für Galliumnitrid
Indiumgalliumnitrid ist,
das nicht nur das Überqueren der Bandlücke erleichtert,
sondern sie auch genau so weit verkleinert,
dass die blau-violette Lücke auf echtes Blau reduziert wird.
Dieses Mal konnten Akasaki und Amano Nakamura nicht besiegen.
Sie scheiterten überhaupt daran,
Indium-Gallium-Nitrid zu züchten.
Amano erinnerte sich: „Es hieß allgemein, dass sich Galliumnitrid
und Indiumnitrid nicht vermischen würden, so wie Wasser und Öl.“
Aber Nakamura hatte einen Vorteil:
seine Fähigkeit, seinen MOCVD-Reaktor individuell anzupassen.
Dadurch konnte er rohe Gewalt anwenden und
den Reaktor so einstellen, dass so viel Indium
wie möglich auf das Galliumnitrid gepumpt wurde,
in der Hoffnung, dass zumindest etwas davon hängen bleiben würde.
Zu seiner Überraschung funktionierte die Technik und
er erhielt einen sauberen Indium- Gallium-Nitrid-Kristall.
Er baute diese aktive Schicht schnell in seine LED ein,
aber die Quelle funktionierte etwas zu gut
und strömte über vor Elektronen, die
sie zurück in die Galliumnitridschichten leckten.
Unbeeindruckt hatte Nakamura innerhalb weniger Monate auch dies behoben,
indem er das Gegenteil eines Brunnens schuf , einen Hügel.
Er kehrte noch einmal zu seinem Reaktor zurück,
um Aluminiumgalliumnitrid herzustellen,
eine Verbindung mit einer größeren Bandlücke, die verhindern konnte, dass
Elektronen aus dem Reaktor entweichen, sobald er sich darin befindet.
(dramatische Musik)
Die Struktur der blauen LED war weitaus komplexer geworden,
als sich irgendjemand hätte vorstellen können, aber sie war vollständig.
1992 hatte Shūji Nakamura dies. -
Und ich zeigte es dem Vorsitzenden und sagte zu ihm:
„Hey Vorsitzender, kommen Sie bitte in mein Büro.“
Ich zeigte ihm die blaue LED
und er sagte: „Ohh, das ist großartig, nicht wahr?“
Ich wurde so glücklich.
Ich habe gerade mein Büro verlassen, ja.
- [Derek] Nach 30 Jahren der Suche
unzähliger Wissenschaftler
hatte Nakamura es geschafft.
Er hatte eine prächtige, leuchtend blaue LED geschaffen,
die sogar bei Tageslicht sichtbar war.
Es hatte eine Lichtleistung von 1.500 Mikrowatt
und strahlte ein perfektes Blau bei genau 450 Nanometern ab.
Sie war über 100-mal heller
als die bisherigen pseudoblauen LEDs auf dem Markt.
Nakamura schrieb: „Ich hatte das Gefühl,
den Gipfel des Fuji erreicht zu haben.“
Nichia berief eine Pressekonferenz in Tokio ein,
um die weltweit erste echte blaue LED anzukündigen.
Die Elektronikindustrie war fassungslos.
Ein Forscher von Toshiba bemerkte:
„Jeder wurde mit heruntergelassenen Hosen erwischt.“
Die Auswirkungen auf Nichias Schicksal waren unmittelbar und explosiv. Die
Bestellungen gingen ein,
und Ende 1994
fertigten sie 1 Million blaue LEDs pro Monat.
Innerhalb von drei Jahren
hatte sich der Umsatz des Unternehmens nahezu verdoppelt.
1996 gelang ihnen der Sprung von Blau zu Weiß,
indem sie einen gelben Leuchtstoff über der LED platzierten.
Diese Chemikalie absorbiert die blauen Photonen
und strahlt sie in einem breiten Spektrum
über den gesamten sichtbaren Bereich wieder ab.
Schon bald verkaufte Nichia die weltweit
erste weiße LED. Mit der LED-Beleuchtung konnten
endlich die letzten Grenzen erschlossen werden, an denen so viele gezweifelt hatten
.
In den nächsten vier Jahren verdoppelte sich ihr Umsatz erneut.
Bis 2001 beliefen sich ihre Einnahmen auf fast 700 Millionen US-Dollar pro Jahr.
Über 60 % stammten von blauen LED-Produkten.
Heute ist Nichia einer der größten LED-Hersteller
der Welt mit einem Jahresumsatz in Milliardenhöhe.
Was Nakamura betrifft, dem Nichia
die Vervierfachung seines Vermögens verdankte?
(dramatische Musik)
– Ich habe mein Gehalt erhöht, 60.000 Dollar.
Nach der Verdoppelung, ja.
- Ich habe gehört, Sie haben nur einen Bonus von 170 $ bekommen
- für jedes Patent.
- Sie haben also einen Bonus von 170 $ für das Patent erhalten.
- Ja ja.
- [Derek] Das alles geschah, während die blaue LED
Hunderte Millionen Dollar Umsatz generierte.
Eji Ogawa hatte Nakamuras eigensinnige Individualität immer
als Belastung und nicht als Stärke betrachtet.
Die Botschaft war klar.
Im Jahr 2000, nach mehr als 20 Jahren bei Nichia,
verließ Nakamura das Unternehmen und ging in die USA,
wo es zahlreiche Stellenangebote gab.
Doch seine Probleme mit Nichia waren noch nicht vorbei.
Er begann als Berater für Cree, ein weiteres LED-Unternehmen.
Nichia war wütend und verklagte ihn wegen der Preisgabe von Firmengeheimnissen.
Nakamura antwortete mit einer Gegenklage gegen Nichia,
weil er ihn nie angemessen für seine Erfindung entschädigt hatte, und
forderte 20 Millionen US-Dollar.
Im Jahr 2001 urteilten die japanischen Gerichte mit Nakamura
und forderten Nichia auf, ihm das Zehnfache seiner ursprünglichen Forderung zu zahlen.
Doch Nichia legte Berufung ein
und der Fall wurde schließlich
mit einer Auszahlung von 8 Millionen US-Dollar beigelegt.
Am Ende reichte dies nur aus,
um Nakamuras Anwaltskosten zu decken.
(Leise Musik)
Das ist alles, was er für eine Erfindung bekommen hat,
die mittlerweile eine 80-Milliarden-Dollar-Industrie umfasst,
von Hauslampen bis hin zu Straßenlaternen.
Während Sie dieses Video auf einem Telefon, Computer oder Fernseher ansehen.
Wenn Sie draußen Ampeln oder Anzeigen folgen,
verlassen Sie sich wahrscheinlich auf blaue LEDs.
Vielleicht bekommen wir sogar zu viel davon.
Möglicherweise haben Sie Warnungen gehört, blaues Licht von Bildschirmen
vor dem Schlafengehen zu meiden, da es Ihren Tagesrhythmus stören kann.
Das alles kommt von der Galliumnitrid-blauen LED.
Aber was die Beleuchtung angeht, gibt es
bei einer LED-Lampe praktisch keine Nachteile.
Im Vergleich zu einer Glüh- oder Leuchtstofflampe
sind sie weitaus effizienter.
Sie halten um ein Vielfaches länger, sind sicherer in der Handhabung
und vollständig anpassbar.
30 Jahre nach der ersten weißen LED können Sie bei
High-End-Glühbirnen heute
zwischen 50.000
verschiedenen Weißtönen wählen.
Am wichtigsten ist, dass ihr Preis nur noch ein paar
Dollar über dem anderer Glühbirnentypen liegt.
Und dank ihrer Effizienz, bei durchschnittlichem Tagesverbrauch
und Strompreisen
können Sie diese Kosten in nur zwei Monaten amortisieren
und danach noch Jahre lang sparen.
Das Ergebnis ist eine Lichtrevolution.
Im Jahr 2010 entfielen nur 1 % der weltweit verkauften Wohnraumbeleuchtung
auf LED.
Im Jahr 2022 waren es mehr als die Hälfte.
Experten gehen davon aus, dass in den nächsten 10 Jahren
nahezu der gesamte Beleuchtungsverkauf auf LED-Leuchten basieren wird.
(leise Musik)
Die Energieeinsparungen werden enorm sein. Die
Beleuchtung ist für 5 % aller Kohlenstoffemissionen verantwortlich. Durch
eine vollständige Umstellung auf LEDs könnten schätzungsweise 1,4 Milliarden
Tonnen CO2 eingespart werden,
was einer Entfernung von fast der Hälfte aller Autos
auf der Welt entspricht.
Heute forscht Nakamura an der nächsten Generation
von LEDs, Mikro-LEDs und UV-LEDs.
- [Derek] Also, was machen sie da drin?
- LEDs, Laser, Leistungsgeräte.
Dies ist eine der besten Einrichtungen in den USA.
- Und das liegt an dir?
Was ist eine Standard-LED-Größe?
- [Shūji] 300 mal 200 Mikrometer.
- [Derek] Okay.
- [Shūji] Die kleinste Größe beträgt fünf Mikrometer.
- [Derek] Das ist wahnsinnig klein.
- Grundsätzlich können Sie das also für
augennahe Displays wie AR und VR verwenden.
- Könnten Sie ein Retina-Display wie
hier oben haben?
- Ja.
- Ein menschliches Haar wäre ungefähr so ​​dick.
- [Shūji] Ja.
- Und das ist eine wirklich, wirklich kleine LED.
UV-LEDs könnten zum Sterilisieren von Oberflächen wie
in Krankenhäusern oder Küchen eingesetzt werden.
Schalten Sie einfach das UV-Licht ein
und Krankheitserreger wären in Sekundenschnelle abgetötet.
- COVID-19, wissen Sie, die
Aktienkurse der UV-LED-Unternehmen stiegen
sprunghaft an, weil jeder damit rechnete,
diese UV-LEDs zu verwenden.
Wir können das gesamte COVID-19 sterilisieren, nicht wahr?
Als Leuchtdiode verwenden wir Indiumgalliumnitrid.
Für UV verwenden wir Aluminiumgalliumnitrid.
[Derek] Okay.
- [Shūji] Weil die Bandlücke viel größer ist.
- [Derek] Glaubst du, dass das kommt?
- [Shūji] Es ist okay, es funktioniert, aber das Problem sind die Kosten.
Der Wirkungsgrad beträgt weniger als 10 %.
Die Kosten sind sehr hoch.
Wenn der Wirkungsgrad jedoch mehr als 50 % beträgt,
sind die Kosten fast mit denen einer Quecksilberlampe vergleichbar.
- [Derek] Und du denkst, dass es passieren wird, oder?
Wie wird die Effizienz steigen?
- [Shūji] Ja, ja, ich denke schon.
- Es ist nur eine Frage der Zeit.
- Ja ich glaube schon.
- [Derek] Und er stellt sich sogar einer
der größten Herausforderungen unserer Zeit.
- [Shūji] Ich interessiere mich für Physik.
- [Derek] Ich auch!
- Ich interessiere mich immer noch für Kernfusion.
Deshalb habe ich kürzlich das Unternehmen für Kernfusion gegründet.
- Wirklich?
- Ach ja, letztes Jahr.
- Auf keinen Fall. - Auf keinen Fall, aha.
(sanfte Musik)
– Im Jahr 2014 erhielten Nakamura, Akasaki und Amano
den Nobelpreis für Physik
für die Entwicklung der blauen LED.
Kurz darauf bedankte sich Nakamura öffentlich bei Nichia
für die Unterstützung seiner Arbeit
und er bot an, ihn zu besuchen und Wiedergutmachung zu leisten,
aber sie lehnten sein Angebot ab
und bis heute ist ihre Beziehung immer noch kalt.
Aber vielleicht sogar noch wichtiger als der Nobelpreis. Als
Nakamura 1994 seine blaue LED herausbrachte,
hatte er über 15 Artikel veröffentlicht
und erhielt schließlich seinen Doktortitel in Ingenieurwissenschaften.
Heute hat er über 900 Artikel veröffentlicht.
Während seiner gesamten Reise
hat sich eines nie geändert.
Was ist deine Lieblingsfarbe?
- Oh, blau.
- [Derek] War es immer blau?
Oder erst nachdem Sie die LED gemacht haben?
- Ich wurde in einem Fischerdorf geboren.
Fischerdorf.
Vor dem Haus ist das Meer fantastisch.
Blau immer.
- Als ich etwas über Nakamuras Geschichte erfuhr,
wurde mir klar, dass es nicht unbedingt sein Wissen war, das ihn von den Tausenden
von Forschern unterschied, die versuchten, die blaue LED zu entschlüsseln,
sondern seine Entschlossenheit, sein kritisches Denken
und seine Fähigkeiten zur Problemlösung.
Wo andere Sackgassen sahen,
sah er mögliche Lösungen.
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