Physik - Kaleidoskop

Leuchtdiode 285
Geschichte
Am Anfang der Entwicklung von Halbleitern stand eine
wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt
Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er
schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen
Sulfidkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer
Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in
die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals
nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser
Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der
Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser
besonderen Merkmale gefunden werden konnte. [8] Henry Joseph
Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische
Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer
Lichtemission fähig sind. [9] 1921 entdeckte der russische Physiker
Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis
1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des
Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges
Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen
und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.
In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors
ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht
werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission
aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid
experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als
Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957
konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz
Nachbildung des Experiments von H. J. Round.
Eine negativ geladene Nadelspitze auf
Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden
Leuchtdiodenübergang.
Entwicklung des maximalen Lichtstroms
kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist
logarithmisch und die Gerade entspricht daher
einem exponentiellen Anstieg.
auf die Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und
Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.
Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962. [10]
Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ungefähr drei Größenordnungen
von unter 0,1 Lumen/Watt auf über 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen
stattgefundenen Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten
(geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen,
niederdimensionalen Strukturen (Quantentöpfe), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung.
Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre,
grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben
des Spektrums (bis auf eine Lücke im grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im
kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren
eines p-leitenden Bereichs von geeigneten breitlückigen Halbleitern, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe von
Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Letzterer führte zur ersten
kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser,
seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als
indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.