Welche Herausforderungen mussten bewältigt werden, um (blaue) LEDs herzustellen?

Der wissenschaftliche Hintergrund der Nobel-Website ist gut. Wenn Sie versuchen, Galliumnitrid herzustellen, erhalten Sie normalerweise ein Material, das (1) randvoll mit Defekten und (2) n-dotiert ist (selbst wenn Sie versucht haben, es zu p-dotieren).

Also blaue LEDs erforderlich

1. Die Erfindung der MOCVD -Technologie zur Kristallzüchtung (Anfang der 1970er Jahre);
2. Finden des richtigen Rezepts, um gutes GaN durch MOCVD zu züchten (dh ein Saphirsubstrat verwenden, mit einem Schritt bei niedriger Temperatur beginnen und dann zu einer hohen Temperatur wechseln usw.) (Mitte der 1980er Jahre);
3. Finden des richtigen Rezepts zum Züchten von GaN vom p-Typ (welcher Dotierstoff soll verwendet werden (Mg), in welcher Konzentration und welches Glüh- / Behandlungsrezept soll verwendet werden, damit die Mg-Dotierstoffe tatsächlich funktionieren und die Anzahl der unbeabsichtigten n-Typ-Dotierstoffe reduziert wird, die es waren Aufheben) (Anfang der 1990er Jahre);
4. Sobald all das vorhanden war, finden Sie gute Strukturen, um LEDs herzustellen (z. B. wenn Sie auch InGaN züchten können, können Sie Quantentöpfe herstellen) (Anfang bis Mitte der 1990er Jahre).

All diese Schritte erforderten nicht nur sorgfältiges Ausprobieren, sondern auch viele aufschlussreiche Analysen und sorgfältige Messungen, um die Probleme zu diagnostizieren und herauszufinden, wie sie behoben werden können. :-D

Nebenbemerkung: Ich finde es wirklich cool und aufregend, dass diese Art der materialwissenschaftlichen Forschung noch nicht abgeschlossen ist. Wenn Sie immer mehr Indium in Indium-Gallium-Nitrid legieren, werden die Defekte noch schlimmer und die p-Dotierung wird noch härter. Es gibt jetzt viele Leute, die daran arbeiten, diese Probleme zu überwinden. Jedes Jahr scheint jemand einen Durchbruch in der Materialverarbeitung zu haben, der es ihm ermöglicht, ein paar Prozentpunkte mehr Indium zu verwenden.

Mit genügend Indium würde sich die Bandlücke von Blau nach Grün verschieben (mit VIEL mehr Indium verschiebt sie sich bis ins Infrarote). Diese Forschung könnte also möglicherweise zu einer viel effizienteren grünen LED führen, und noch besser, dem lang erwarteten grünen Diodenlaser , der unzählige Anwendungen zB in der Display-Technologie hätte. (Sie haben grüne Laserpointer gesehen, aber das sind komplizierte Geräte, die Infrarotlaser und nichtlineare Optik verwenden. Ein grüner Diodenlaser, wenn es ihn gäbe, wäre billiger, robuster, kleiner und viel energieeffizienter.) Auch wenn könnte man mehr Indium verwenden, wird InGaN-GaN zu einem vielversprechenden Materialkandidatensystem für Tandemsolarzellen.

Das Buch The Blue Laser Diode: The Complete Story befasst sich mit den Problemen der p-Typ-Dotierung von GaN.

Die Schwierigkeit beim Züchten hochwertiger kristalliner GaN-Filme liegt in dem Problem, ein geeignetes Substratmaterial zu finden. (...)

Der obige Link verweist auf das Kapitel, das Sie interessieren könnte.

Der "kritische" Teil bestand darin, eine Struktur mit einer ausreichend großen Bandlücke zu finden und herzustellen, um blaue Photonen zu erzeugen. Die ersten LEDs erzeugten relativ langwellige Infrarot (IR)-Photonen, die weit weniger Energie haben als die grünen oder blauen Photonen, die jetzt von LEDs verfügbar sind. Im Allgemeinen ist es umso schwieriger, ein geeignetes Material herzustellen, je größer die gewünschte Bandlücke ist.

Trotzdem ist die Referenz von Claudix ein gutes Buch, das man sich ansehen sollte.

Ich wollte dies als Kommentar posten, aber es wurde zu lang.

Die letzte Frage, die etwas versteckt war, die aber mehrere andere Benutzer zu interessieren schien, wäre, warum die blaue LED vielleicht so viel schwieriger zu konstruieren war als die rote. Wenn ich den Link von Steve B zum wissenschaftlichen Hintergrund des Nobelpreises durchlese, erhalte ich genügend Informationen, damit ich versuchen kann, die Frage für alle anderen Interessierten zu beantworten. Ich bekomme alle meine Informationen von dort:

Anscheinend war vielen Menschen beim Betrachten von np-Übergängen klar, dass sie nützlich sein könnten, um Lichtquellen zu erzeugen. Die ersten Infrarotlaser/LEDs entstanden dann fast zeitgleich mit der Ankündigung der ersten roten LED. Der einzige Unterschied ist die Bandlücke, die im Fall der LED größer war, weil Holonyak eine geschickte Kombination der vorhandenen Ansätze verwendet hat ($\mathrm{GaP}_x\mathrm{As}_{1-x}$Anstatt von$\mathrm{GaP}$oder$\mathrm{GaAs}$). Die LEDs waren anfangs nicht sehr effizient, was sie effizient machte, waren die Techniken zur Verwendung von Heterostrukturen und Quantentöpfen - die erste wurde im Jahr 2000 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet.

In diesem Sinne war die Herstellung einer roten LED definitiv ein großer Durchbruch, aber sie war auch eine Fortsetzung der damaligen Forschung.

Die blauen LEDs sind jedoch anders: Einige Leute hatten vorgeschlagen, sie zu verwenden$\mathrm{GaN}$als Grundlage schon in den 70er Jahren, aber niemand konnte es zum Laufen bringen. Außerdem mussten zusätzliche Herausforderungen bewältigt werden, die als Punkte 2.-4 aufgeführt sind. auf der Liste von Steve B, die im Wesentlichen alle von den drei Personen aufgeführt wurden, denen der diesjährige Nobelpreis verliehen wurde.

Vielleicht ist es also eher so: Wenn die Erfindung der ersten LED einen Nobelpreis verdient (was auch immer das bedeutet), dann sicherlich auch die Erfindung der blauen LEDs.

Außerdem war Blau die letzte der Primärfarben, sodass seine Erfindung die Herstellung weißer LEDs ermöglichte. Gewöhnliche Lampen könnten dann durch äußerst energieeffiziente LED-Alternativen ersetzt werden.