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Investieren in Nobelpreis‑Erfolge – Blaulicht‑LED‑Dioden erhellen die Zukunft

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Eine alltägliche Revolution

Einige Nobelpreise für Physik werden einer Revolution in der grundlegenden Art, wie wir das Universum verstehen, zugeschrieben, von schwarzen Löchern (2020) über subatomare Teilchen (2013) bis hin zur Expansion des Universums (2011). Andere würdigen scheinbar „alltäglichere“ Entdeckungen, die dennoch völlig preiswürdig sind wegen ihrer dauerhaften und radikalen Auswirkungen auf die menschliche Zivilisation.

Der Nobelpreis 2014, der Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für die Entdeckung von blau leuchtenden Dioden zugeschrieben wird, ist einer davon.

LED‑Dioden, die rotes, gelbes und grünes Licht erzeugen können, sind seit der Erfindung der LED‑Technologie bekannt. Um jedoch weißes Licht zu erzeugen, müssen LED‑Dioden dort blaues Licht ausstrahlen, und das erwies sich als schwierig zu realisieren.

Der richtige Lichttyp

Quantenenergie

Was die Erzeugung von blauem Licht mit LEDs so schwierig macht, liegt in der grundlegenden Physik von LED‑Dioden.

LEDs erzeugen Licht dank der Prinzipien der Quantenphysik. In einer vereinfachten Version der Quantenphysik bestehen Atome aus einem Kern, um den ein oder mehrere Elektronen kreisen, ähnlich wie die Erde um die Sonne.

Aufgrund der Regeln der Quantenmechanik können diese Elektronen nur in vorbestimmten Energieniveaus „umkreisen“, die jeweils durch ein bestimmtes Energieniveau festgelegt sind. Wenn ein Elektron von einem hohen zu einem niedrigen Energieniveau wechselt, wird die überschüssige Energie in Form von Licht abgegeben.

Licht mit niedriger Energie liegt typischerweise auf dem „roten“ Teil des Lichtspektrums, während Licht mit höherer Energie im blauen Bereich des Spektrums liegt.

LED‑Grundlagen

Die Fähigkeit von Atomen, Licht zu emittieren, die aus der grundlegenden Physik stammt, ist das Grundprinzip hinter LED‑Dioden. In der Praxis sind jedoch einige weitere spezifische Eigenschaften erforderlich.

Um eine LED‑Diode herzustellen, benötigt man zunächst Materialien, die Halbleiter sind und somit die Fähigkeit besitzen, einen elektrischen Strom entweder durchzulassen oder zu blockieren (daher das „semi“ im Namen).

Sie müssen dann zwei verschiedene Arten von Halbleitern kombinieren:

  • Eine, die Elektronen abgeben kann, wird auch als „n‑Typ“ bezeichnet.
  • Eine, die zusätzlichen Raum hat, um diese Elektronen aufzunehmen, wird ebenfalls als „p‑Typ“ bezeichnet.

Halbleiterkombinationen, die in LEDs verwendet werden, besitzen eine „Bandlücke“, also einen signifikanten Unterschied im Energiepotenzial zwischen den beiden Materialien.

Wenn Elektronen von einem Halbleiter zum anderen wandern, wird die freigesetzte Energie zum gewünschten Licht der Diode.

Quelle: BYJUS

Frühe LED‑Systeme hatten sehr geringe Energiedifferenzen zwischen den beiden Halbleitertypen, was zur Emission von niederenergetischem Infrarotlicht führte. Schnell fanden Wissenschaftler und Elektronikunternehmen Wege, diese Bandlücke zu vergrößern, was zu sichtbaren LEDs in Rot, Gelb und Grün führte.

Ein entscheidender Teil dieser Verbesserungen war das „Dotieren“ der zuvor reinen Halbleitermaterialien mit anderen Elementen, wodurch deren Leistung gesteigert wurde.

Quelle: Wikipedia by VectorVoyager 

Diese Methode war über mehrere Jahrzehnte hinweg unzureichend, um die für blaue LEDs erforderliche hochenergetische Bandlücke zu erzeugen.

Der schwierige Weg zu blauen LED‑Dioden

Galliumnitrid – ein schwieriges Wunder‑Material

Die Bandlücke der für niederenergetische LED‑Lichter verwendeten Materialien, wie Galliumnarsenid (1,42 eV) und Galliumnphosphid (2,26 eV), die für rote und grüne LEDs genutzt werden, lag unter den 2,6 bis 3,4 eV, die für blaues Licht erforderlich sind.

Eine Alternative wurde mit Galliumnitrid (3,37 eV) gefunden. Die Verwendung von Galliumnitrid zur Erzeugung von blauem LED‑Licht schien eine gute Idee zu sein, aber in der Praxis war es scheinbar unpraktisch.

Quelle: Britannica

Das erste Hindernis war, dass es keine Methode gab, eine Oberfläche vorzubereiten, auf der Galliumnitrid‑Kristalle wachsen können. Außerdem wusste niemand, wie man eine p‑Typ‑Schicht aus Galliumnitrid herstellen kann. Viele hatten versucht und sind gescheitert, Galliumnitrid in ein funktionierendes LED‑System für blaues Licht zu verwandeln. Hier traten die drei Gewinner des Nobelpreises 2014 in den Kampf ein.

Lösung des blauen LED aus mehreren Blickwinkeln

1986 fanden Isamu Asaki und Hiroshi Amano als erste heraus, wie man Galliumnitrid‑Kristalle auf einer Schicht aus Aluminium‑Nitrid auf einem Saphir‑Substrat züchtet.

Einige Jahre später erzeugten sie eine p‑Schicht und stellten 1992 schließlich den ersten Prototyp einer hellblauen LED her.

Parallel dazu begann Shuji Nakamura 1988 mit der Entwicklung seiner blauen LED. Er fand seinen eigenen Weg, den Galliumnitrid‑Kristall zu züchten, indem er zunächst eine dünne Schicht Galliumnitrid bei niedriger Temperatur wuchs und danach weitere Schichten bei höherer Temperatur.

Wahres Verständnis von Galliumnitrid

Die p‑Schicht von Asaki und Amano wurde optimiert, indem das Galliumnitrid dem Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops ausgesetzt wurde.

Nakamura hatte das theoretische Fundament, um zu erklären, wie das Elektronenmikroskop funktionierte: Es entfernte Wasserstoffatome, die die Bildung der p‑Schicht verhinderten. Anschließend entwickelte er eine einfachere & kostengünstigere Methode, um dasselbe Ergebnis zu erzielen: kontrolliertes Erhitzen des Materials.

Beide parallelen Forschungsgruppen setzten ihre Arbeit mit immer fortschrittlicheren und komplexeren Designs für ihre blaue LED fort und erzeugten verschiedene Legierungen aus Galliumnitrid mit Aluminium oder Indium, wodurch die Halbleiter effektiv dotiert wurden, um die Lichtausbeute und Effizienz zu steigern.

Quelle: Nobel Prize

Sie erfanden außerdem blaue Laser, die ihre blaue LED nutzten. Da die Frequenz des blauen Lichts viel kleiner ist als die anderer Farben, kann sie viermal mehr Informationen als Infrarotlicht enthalten, was den Weg zu Blu‑Ray‑Discs ebnete.

Erfolge der blauen LED‑Lichttechnologie

Mehr Licht bei weniger Strom

Blaue LEDs ermöglichten die Erzeugung von weißem Licht, wodurch die meisten Glühbirnen und Leuchtstofflampen durch LEDs ersetzt werden konnten. Das ist besonders bemerkenswert, da LEDs 20‑mal effizienter als Glühbirnen und viermal effizienter als Glühlampen sind.

Quelle: Nobel Prize

Da ein Viertel des Stromverbrauchs für die Lichtproduktion verwendet wird, bedeutet dies eine radikale Einsparung beim globalen Energieverbrauch.

Es macht auch netzunabhängige Beleuchtungssysteme viel praktikabler, da kleine Solarpanels oder andere alternative Energiequellen nun Licht in abgelegenen oder armen Regionen versorgen können. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Produktivität und bessere Bildung.

Individuelle Farben

Zusätzlich zu weißen LEDs ermöglicht die Kombination aus roten, grünen und blauen LEDs die Erzeugung aller möglichen Farben des sichtbaren Spektrums. Das eröffnet zahlreiche spezialisierte LEDs für Nischenanwendungen.

Eine wichtige Anwendung blauer LEDs und individuell abrufbarer Farben ist die LED‑Bildschirme für Fernseher, Computer und Smartphones, da Schwankungen im Rot‑/Grün‑/Blau‑Verhältnis die korrekte Farbdarstellung Pixel für Pixel ermöglichen.

Oder zum Beispiel nutzen Pflanzen grünes Licht nicht für die Photosynthese. Daher können LED‑Lampen für den Innenanbau ausschließlich rote und blaue LEDs verwenden, was den Energieverbrauch der Gewächshausproduktion stark optimiert und die Revolution in Hydroponik und urbaner Landwirtschaft ermöglicht. Und vielleicht eines Tages sogar das Anbauen von Nahrung im Weltraum oder auf dem Mars.

Quelle: Agritecture

Ultraviolette LEDs

Nach der ersten Entwicklung der blauen LED‑Lichttechnologie haben weitere Verbesserungen ein noch leistungsfähigeres System ermöglicht, das ultraviolettes Licht emittiert.

Diese UV‑C‑LEDs können zur Wasseraufbereitung in jeder Größenordnung eingesetzt werden, von Campingausrüstung bis hin zu Versorgungsunternehmen, die Zehntausende von Menschen in Großstädten bedienen. Sie können auch zur Abtötung luftgetragener Krankheitserreger und zur Sterilisation von Oberflächen verwendet werden, zum Beispiel in Krankenhäusern.

Blu‑Ray und blaue Laser

Wie bereits erwähnt, wären Blu‑Ray und andere hochdichte Datenspeicherlösungen, die auf blauen Lasern basieren, ohne blaue LEDs nicht möglich. Die hohe Datendichte ist ebenso nützlich für die optische Kommunikation, insbesondere wenn hohe Bandbreiten erforderlich sind.

Blaue Laser sind auch “die ideale Lichtquelle für hochreflektierende Metallbearbeitung, die erhebliche Vorteile in verschiedenen industriellen Anwendungen wie Schneiden und Schweißen bietet”.

Blaue Laser werden jetzt auch für die Operation des Kehlkopfes verwendet, dank ihrer hochenergetischen Leistung und der Absorption der 445 nm‑Wellenlänge durch Hämoglobin, was eine sehr präzise gezielte Koagulation von Blutgefäßen ermöglicht.

Galliumnitrid über LED‑Lichter hinaus

Blaue LED‑Lichter schufen eine ganze Industrie, die Galliumnitrid‑Kristalle in großem Maßstab produziert und untersucht. Dies könnte wiederum eine Revolution im Design von Elektronik auslösen, wobei Galliumnitrid als „das nächste große Ding in der Leistungselektronik“ bezeichnet wird.

Galliumnitrid kann bei deutlich höheren Temperaturen und Spannungen arbeiten als siliziumbasierte Feld‑Effekt‑Transistoren (FETs). Daher könnte Galliumnitrid für 5G‑Mobilfunk‑Basisstationen, Transistoren, kleine elektronische Geräte und sogar KI eingesetzt werden, da Rechenanwendungen immer mehr Energie benötigen.

All diese Anwendungen wären ohne die Skaleneffekte in der Produktion und das umfangreiche Wissen, das die blaue LED‑Industrie von Anfang an geschaffen hat, nicht möglich.

Unternehmen im Bereich blaue LEDs

Nakamura‑verbundene Unternehmen

Nakamura entwickelte sein blaues LED‑Licht während seiner Tätigkeit bei der Nichia Corporation. Nach einem Führungswechsel im Jahr 1989 hatte das Unternehmen Nakamura tatsächlich befohlen, das Projekt zu stoppen, was er zum Glück nicht tat. Das war auch gute Nachricht für das Unternehmen, das seine Umsätze zwischen 1993 und 2001 vervierfachte, wobei 60 % des Gesamtgeschäfts aus blauen LED‑Lichtern stammten.

Nakamura verließ Nichia im Jahr 1999 und war später in eine komplexe Reihe von Rechtsstreitigkeiten über das Eigentum an der Technologie verwickelt, an denen Nakamura, Nichia und der US‑Konkurrent Cree beteiligt waren. Nakamura einigte sich schließlich auf eine Zahlung von ¥840 Millionen (≈ US$8,1 Millionen) mit Nichia.

Nakamura gründete 2008 Soraa, ein privat notiertes Unternehmen, das blaue LEDs verkauft und 2020 von Ecosense übernommen wurde.

2022 gründete Nakamura gemeinsam Blue Laser Fusion, ein kommerzielles Kernfusionsunternehmen. Es plant, Mega‑Joule‑Impuls‑Laser mit hoher Wiederholungsrate zu nutzen, um kommerzielle Fusion zu erreichen. Das Unternehmen plant, seinen ersten Prototypen 2025 fertigzustellen und bis 2030 einen marktreifen Fusionsreaktor zu demonstrieren.

Blue Laser Fusion wird vom Mirai Creation Fund unterstützt, der wiederum von Toyota Motor und anderen Investoren getragen wird.

Mit Soraa/Ecosense und Nichia (nicht zu verwechseln mit Nichias – NICFF) als privat notierten Unternehmen müssen Investoren andere Hersteller von blauen LED‑Lichtern in Betracht ziehen, um in diese Technologie zu investieren, die zur Grundlage moderner Innovationen in Elektronik, Telekommunikation, Medizin, Fertigung und sogar Landwirtschaft wurde.

1. SMART Global Holdings

(SGH )

Cree war ein amerikanisches Unternehmen, das zu den ersten gehörte, die blaue LED‑Lichter massenweise kommerzialisierten, und ein wichtiger Konkurrent von Nakamura‑verbundenen Nichia. Es stand zudem hinter dem ersten kommerziellen Siliziumkarbid‑Wafer.

Später wurde es in ‘Wolfspeed‘ umbenannt und verkaufte 2021 sein LED‑Geschäft an SMART Global Holdings.

Quelle: SGH

SGH verwaltete vier verschiedene Marken:

Cree LED macht etwa ein Fünftel des Gesamtumsatzes aus, und intelligente Plattform‑Lösungen stellen die Hälfte des Gesamtumsatzes dar.

SGH ist also kein rein LED‑fokussiertes Unternehmen. Allerdings besitzt Cree LED wichtige IPs (insbesondere die XLamp‑Marke), genießt einen Ruf für technologische Exzellenz im Feld und eine Präsenz in allen blau‑LED‑bezogenen Märkten.

2. Osram (OSAGF)

Osram ist ein globales Unternehmen, das in Sensoren und innovativen Lichtlösungen führend ist. Die Halbleitersegmente, einschließlich LEDs, Laser, integrierter Schaltkreise und Sensoren, machen zwei Drittel des Unternehmensumsatzes aus.

Es ist insbesondere in vielen Kategorien Nummer 1:

  • Auto‑LED‑ und Laserlichter.
  • Traditionelle Autolichter.
  • LEDs für die Hortikultur.
  • CT‑Medizinbildgebung.

Quelle: OSRAM

Insgesamt ist OSRAM mit einem Marktanteil von 13 % Platz 2 im LED‑Markt, hinter Nichia (15 %), aber deutlich vor dem Rest der Konkurrenz wie Platz 3 & 4 Seoul Semiconductors (7 %) und Samsung LED (7 %) sowie MLS (6 %).

OSRAM ist zudem Marktführer bei Lichtsensoren mit 29,2 % Marktanteil, knapp vor STMicroelectronics (28,5 %).

Der Großteil der Unternehmensumsätze stammt aus der Asien‑Pazifik‑Region, wobei die jüngsten Umsätze fast gleichmäßig zwischen EMEA und den Amerikas aufgeteilt sind.

Es wird erwartet, dass der LED‑Markt bis mindestens 2028 mit einer durchschnittlichen Jahreswachstumsrate von 6,8 % weiter wächst. Dies liegt hauptsächlich an den LED‑Märkten für die Automobil- und Allgemeinbeleuchtung.

Quelle: OSRAM

Mit der Führungsposition von OSRAM im Automobilmarkt, sowohl bei klassischen als auch bei LED‑Leuchten sowie in der Hortikultur, ist das Unternehmen nahezu sicher, dass sein gesamter adressierbarer Markt in den nächsten Jahren kontinuierlich wachsen wird.

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.