Das blaue Wunder

Laserdiode unter dem Mikroskop

Manchmal gehen Revolutionen ganz langsam vor sich. Die Erfindung der blauen Leuchtdiode jedenfalls dauerte Jahrzehnte. Man kannte LEDs (Light Emitting Diodes) in den Farben rot, gelb und später auch grün, die man für Anzeigen von Computern und Instrumenten verwendet, oder für Displays, etwa in Sportarenen oder bei Leuchtreklamen. Was fehlte, war Blau, denn aus Rot, Grün und Blau lassen sich alle Farben darstellen. Jeder Fernsehbildschirm tut es.

Leuchtdioden bestehen aus Halbleitern, die normalerweise elektrischen Strom nicht leiten können. Wenn man sie je-doch mit bestimmten Stoffen versetzt ("dotiert"), kann man ihnen beispielsweise einen Überschuss an Elektronen mitgeben. Andere Dotierungen können einen Mangel an Elektronen erzeugen, so genannte Löcher. Kombiniert man nun zwei unterschiedlich dotierte Arten von Halbleitern als dünne Schichten und legt eine geringe Spannung an, wandern Elektronen von einer Schicht in die andere und fallen in die Löcher. Dabei geben sie ihre Energie in Form von Licht ab.

CD und DVD-Spieler brauchen Laserdioden

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Laserdioden können in sehr kleinen Abmessungen gebaut werden. Sie finden zum Beispiel in CD-Spielern Verwendung. (Quelle: Fraunhofer Gesellschaft)

Um eine blaue Leuchtdiode zu bauen, muss man eigentlich nur ein Material finden, dessen Elektronen blaues Licht abgeben, wenn sie in die Löcher fallen. Eine schwierige Aufgabe, denn blaues Licht ist energiereicher als rotes, gelbes und grünes. Rund um die Welt suchten Forscher nach einem solchen Material. In den sechziger Jahren schien Gallium-nitrid ein geeigneter Kandidat zu sein, doch letztlich gelang es nicht, ein geeignetes Trägermaterial für die benötigten dünnen Schichten zu entwickeln. Man gab schließlich die Versuche auf und bevorzugte nun Zinkselenid, das verheißungsvoller erschien. Erst in den achtziger Jahren wurde das Problem des Trägermaterials wenigstens prinzipiell gelöst - doch auch nach zwanzig Jahren intensivster Forschung lag der Traum einer universell einsetzbaren blauen Leuchtdiode in weiter Ferne.

Der Durchbruch kam wie im Märchen: Shuji Nakamura, Angestellter einer mittelständischen Firma im südlichen Japan, war fasziniert von der Suche nach der blauen Leuchtdiode. Er experimentierte ganz gegen den allgemeinen Trend mit dem Stoff, der in den sechziger Jahren "en vogue" war - und hatte Erfolg. Später erzählte er: "Ich habe mir Galliumnitrid eigentlich nur deshalb ausgesucht, weil sonst kaum jemand damit arbeitete." Im Oktober 1996 war sein System so weit optimiert, dass Nakamura seine blaue LED einige Sekunden lang zum Leuchten brachte. Nur zwei Monate später strahlte die Diode schon 35 Stunden lang. Nun setzte international ein "run" auf die blaue Leuchtdiode ein. Forscher auf der ganzen Welt experimentierten mit dem neuen, aber eigentlich alten Material. Auch in Deutschland schimmerte es bald blau in den Labors der Halbleiterphysiker.

Begehrtes Blaulicht eines Halbleiter-Lasers

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Der blaue Halbleiter-Laser unter dem Mikroskop. Er wird in Zukunft der Informationstechnologie neue Möglichkeiten eröffnen. (Quelle: Osram OS)

Und aus den blauen Leuchtdioden lassen sich endlich auch blaue Halbleiter-Laser bauen, ebenfalls ein alter Traum der Forscher. Diese blauen Laserdioden werden vielfältige Anwendungen finden: Ihre kürzere Wellenlänge ermöglicht zum Beispiel eine feinere Abtastung der CD; die Pits, mit denen die Informationen gespeichert werden, lassen sich auf der CD dann viermal so dicht packen wie bei infrarotem Licht. Dies bedeutet, dass mit blauen Lasern ein ganzer Kinofilm im hochauflösenden Fernsehformat und in Hifi-Qualität auf einer kleinen Kunststoffscheibe Platz fände. Damit könnten digitale Videodiscs (DVD) in Zukunft die Magnetband-Videokassetten ersetzen. Und zusammen mit roten und grünen Halbleiterlasern kann die blaue Laserdiode bewegte Bilder in jeder Farbe gestochen scharf auf Bildschirme zaubern. Damit wird schließlich auch dem Traum eines deutschen Erfinders zum Durchbruch verholfen: Christian Deter, Erfinder des Laser-TV, musste vor wenigen Jahren auf Gaslaser mit einem Energieverbrauch von 20 bis 30 Kilowatt und 60 Liter Kühlwasser pro Minute zurückgreifen, um das Prinzip des laserbasierten Fernsehschirms erstmals zu demonstrieren. Mit roten, grünen und blauen Laserdioden reduziert sich der Fernseher der Zukunft auf ein zigarrenschachtelgroßes Gerät, mit dessen Hilfe das Bild an die Wohnzimmerwand oder - bei Bedarf - auch auf die Anzeigentafel eines Stadions projiziert werden kann.