Hiroshi Amano (2016) - Lighting the Earth by LEDs

I would like to emphasize how materials science and engineering have played a key role in realizing innovation in displays and artificial lighting, using blue LEDs as an example. Portable game machines and cellular/smart phones are very familiar items, especially to young people

Good morning everyone. I am so honoured to get this opportunity, so I’d like to thank the members of the Council of Lindau Nobel Laureate Meetings. First of all, I’d like to mention that I am not a physicist. I belong to the engineering department. Today I’d like to emphasise the importance of not only the science but also the engineering, that’s one point. And the second point is, maybe my field is not the major one in this meeting. I’d like to mention that the importance of the minority research is very important. So I’d like to point out 2 things in this presentation. According to the Nobel Foundation, the LED lamp holds great promise for increasing the quality of life for over 1.5 billion people around the world. So first, I’d like to start by saying how I encountered the blue LEDs. From primary school to high school I was not a good student. My impression at that time was, that studying in Japan was only to enter a good high school or a good university. But I couldn’t understand the reason why I should study so hard only to enter high school or only to enter university. But when I entered university, in the first class introduction to engineering the old professor explained the meaning of the Japanese, or Chinese, Kanji character, we call it Kô. Kô is engineering, this character means 'the people'. So this character meaning the engineering is connecting people to people, meaning engineers should support the people. Then, suddenly, I understood why I should study. (Laughter) For me studying is for the people, not to enter university. Then I was able change my mind and study hard, very hard, at university. This here summarises the overview of the development of LEDs. The first commercial LED were the red LEDs, composed of gallium arsenide or gallium arsenide phosphide compound materials, which was invented by Professor Holonyak’s group at the University of Illinois, in 1962. In 1974, George Craford, the Hewlett Packard engineer, developed gallium-phosphide-based green LEDs. At that time the many researchers, not only the researchers, but the person who studied the periodic table of elements, all the people could imagine what’s next. Next should be the gallium-nitride-based blue LEDs. This material, gallium nitride, the seed of the gallium nitride came from this country. The German physicist Professor Grimmeiss found the importance of this material as the blue light emitting diodes in 1960, 56 years earlier. So in the 1970s, many, many researchers around the world tried to commercialise the blue LEDs based on gallium nitride. For example, Stanford University and RCA, in the United States, Philips. Or in Japan Oki Electric, Hitachi or Matsushita, now Panasonic. But unfortunately, all the efforts in the 1970s failed. So it was a too early try, no good crystal, no p-type or no indium gallium nitride. So many, many researchers abandoned these materials and started the new material research such as zinc selenide. But only one person could not abandon this material: my supervisor Professor Isamu Akasaki. He couldn’t abandon this material. But unfortunately, his company decided to quit the project. So he had to move from the company to Nagoya University in 1981. And I joined his group as an undergraduate student in 1982. When I saw the subject of the research for the nitride based blue LEDs, I was so excited. The reason was, from the first year to the third year as a university student, I was interested in the microcomputer system, now PC, personal computer system. Because 1975, Bill Gates and Paul Allen developed Microsoft. And one year later Apple one was realised by Steve Jobs and Steve Wozniak. From this success, the development of personalisation of microcomputer systems was so enormous. I wanted to contribute to the further development of the microcomputer system. And the display was one of them. At that time, in all the displays the Braun tube was used which was so big and energy consuming. So if I could achieve the blue LED, I could change the world. That was the reason why I started to devote myself on gallium nitride research. When Professor Akasaki moved from the company to the university, a very big or very important decision was made. That is the change of the crystal growth method from the conventional hydride vapour phase, HVP, to metalorganic or organometallic vapour phase epitaxy (MOVPE). The reason is the HVP was very, very complicated. And the beginning student like me could not control the growth system. But MOVPE was a new growth system which was rather easy to control. Then Professor Akasaki decided to use the metalorganic vapour phase epitaxy, MOVPE in short. That was a very good decision. But the problem was, if we wanted to buy the MOVPE system we needed at least €1 million. The research fund at that time in Japan, at the university, was €25,000. So we couldn’t buy it. So we students decided to develop our own crystal growth system by ourselves. Now this is "the only one", our original MOVPE reactor for €25,000. The beer bottle - the beer bottle is very important to fabricate the rf coil. By heating it and winding it around the beer bottle we could fabricate a very good rf coil. In such a way we have developed our original MOVPE reactor. and could start to do the experiments for crystal growth of the gallium nitride on a sapphire substrate. That’s the good old days. In the laboratory nobody knew about the new growth process, MOVPE. So even a beginning student like me could very, very freely discuss with the professor, the associate professor, with no hierarchical relationship. So the student could independently proceed with the experiments. Then the students tend to feel the responsibility for their research results. So I enjoyed very much to do the experiments but, of course, it was very, very difficult to grow high-quality gallium nitride crystals. So 3 years passed without any improvement. But just at the end of the master courses, I decided to change the growth procedure and to use the buffer layer. The idea came from the discussion with a young professor, Professor Sawaki. He always mentioned, that in case of BP - BP is boron phosphide, boron phosphide on silicon substrate – the predisposition of the buffer that is phosphorus improves the lateral crystal growth of boron phosphide. Then high-quality boron phosphide could be grown on silicon substrate. Then I imagined, if I used the aluminium nitride, the different materials as a buffer layer, maybe I could improve the quality. Then, suddenly, I succeeded in growing the world’s highest quality gallium nitride on a sapphire substrate, using the low temperature buffer. So I wrote the paper and submitted to the Applied Physics Letters. But this paper did not take notice of other researchers. The age changed from the nitride to the zinc selenide. There was zinc selenide booming all over the world. So, young researchers, I’d like to ask you, which would you choose as the research task? The majority field: Many researchers, hot competition. You can write many, many journal papers. High possibility to get the academic position. The minority: Very limited researchers, moderate competition. It may be difficult to write the journal papers. Few possibilities to get the academic position. In my case I chose the minority. Also I tried to write a patent – a patent in engineering field is very important. So I investigated the previous papers. I found 2 important papers: the gallium arsenide on silicone and the gallium nitride on the sapphire. In the case of the gallium arsenide, low temperature gallium arsenide was used, which is the same material. So in my case, I used aluminium nitride - it’s different, ok. And in the case of gallium nitride on sapphire. It was grown by molecular beam epitaxy and the single crystalline gallium nitride was used. In my case I used not a single crystalline but amorphous aluminium nitride or polycrystalline aluminium nitride. So that was also different. So I focused on claiming only the low temperature aluminium nitride, and submitted the patent in 1985. But 6 years later, in 1991, one of the Japanese companies - maybe you know Nichia Corporation, led by professor Nakamura. His team submitted a patent claiming that low temperature gallium aluminium nitride, except only for aluminium nitride. You understand what this meant? I couldn’t believe it. But this patent was accepted - so I learned a lot about the patent. Anyway, for us the next target was, of course, the p-type gallium nitride. So during my doctor courses, for 3 years, I concentrated on growing p-type gallium nitride - but without any success. But I found some interesting phenomenon. I visited NTT as an internship and found that the blue luminescence of zinc-doped gallium nitride was irreversibly enhanced by electron beam irradiation. So I was so excited and tried to write the journal papers to get the PhD. But when I went back to the Nagoya University and investigated the previous papers, I found, that Moscow University, Doctor Saparin, already found just the same phenomenon as I found in 1983 - 4 years before my findings. So I was so depressed and abandoned to get the PhD. But I was very lucky that I could continue research on seeking p-type gallium nitride as a research associate under the support of Professor Akasaki. One year after the graduation of PhD post I found this graph. This graph really shows what Phillips mentioned in "Bonds and Bands in Semiconductors" that in the case of gallium phosphide magnesium is much, much better than zinc in terms of the activation. So I found my mistake. I should use the magnesium. Then, in combination with the electron beam treatment, we realised the p-type gallium nitride, the p-n junction LED, for the first time in the world in 1989. And as for the mechanism of a p-type convergent, the first impression is it should be related to the thermal effect. But for me the thermal effect was not so exciting, it was very, very easy. So I tried to find another mechanism. I searched for the laser beam irradiation or microwave irradiation, any other kind of irradiation. But all the efforts failed. that p-type convergent could be realised only by thermal annealing. In this case also I studied a lot about physics. Then, next target is the true blue luminescence, indium gallium nitride. Of course, we started at the very initial stage, in 1986. But in our case, we only realised the indium amount of 6% which is insufficient for the blue luminescence. For the blue luminescence we need at least 15%. The reason is very simple: we used hydrogen as the carrier gas. But in 1989, NTT group, Professor Matsuoka, succeeded in growing high-indium-content indium gallium nitride. The reason why they succeeded is they used nitrogen as the carrier gas – the only difference is hydrogen or nitrogen. In 1993 was the first commercialisation of indium-gallium-nitride-based blue LEDs, that has been achieved by Professor Nakamura’s team of Nichia Corporation. So I’d like to emphasise, how blue LED changed our lives - or your lives. The reason why you can enjoy the Game Boys, smart phone, cell phone with the full colour display is because of the emergence of blue LED. But some people complain about the increase of smart phone addiction. But when I was a student I considered the application, only I imagined the displays. But one of the engineers in Nichia Corporation, Doctor Bandoh, found that this mechanism – this is the blue LED and by adding this yellow film we can easyly realise white LED. Then the applications of blue LEDs have been expanded - not only to the display but also the general lighting system. So I can say that this is a good example that new technology leads to new applications. Today the efficiency of the LED lighting is 8 times higher than that of the incandescent one. And 2 times higher than that of the fluorescent one. Then we can expect a decrease of the electricity consumption by using, or by replacing, the conventional lighting system with LED lighting system. So this graph shows the electricity generation and the CO2 emission in Japan. Before the year 2011, about 30% of the electricity was generated by nuclear power plants. But in Japan we have to stop the nuclear power plants. So the ratio of thermal power increases drastically, almost 90%. So CO2 emission increase drastically. The government target by the year 2030 is this level. Maybe the reduction of economy activity leads to it much faster, but anyway. In Japan, by the year 2020, we can reduce the total electricity consumption by about 7%, by replacing our lighting system with LED lamps - which corresponds to 1 trillion Japanese Yen. More importantly, this LED lighting system not only changes our life, but it also keeps our traditional life, for example in Mongolia. For Mongolia people, the nomad life is the traditional life. But because of the insufficient lighting in the night, the young people want to move to the urban areas, and they want to get fixed housing. But with the emergence of LEDs the young people go back to the nomad life. And I visited this man in the Ger and found that the LED lamp is really used in the Ger house. So I was so pleased to see. Next is the Deep UV LEDs for water purification. UNICEF reported that still more than 600 million people lack access to improved drinking water. And 2.4 million people do not use an improved sanitation facility. And global warming causes increase of bacterium in drinking water, even in the northern part. So water purification is very important. So we developped our new original crystal growth system. And, with the support of the government, we succeeded in fabricating the Deep UV LEDs. This is one example. It’s not so bright, but it can excite the blue phosphor. This is an example of the sterilisation of bacterium. And the water purification system has been already commercialised. And this is also used for steriliser, resin cure, printing, paper money discrimination, photolithography, and also in medicine, in dermatology. So our next target is the power device. For example, the solar cell is DC, but we use AC in our house. The electric vehicle, the battery is DC, but the motor is AC. So we have to change from DC to AC, and the inverter is used. In a conventional inverter system the efficiency is 95% on average. But by replacing it to the new materials, we can further reduce the efficiency to over 99%. So by using this system, we can realise a carbon neutral society in the very near future, like COP 21. Finally, I’d like to emphasise, once again, to the young generation. I do believe that the engineer can solve the global issues. For example, there is a relationship between terrorism and the Gini coefficient, in the difference of rich and poor. It's an important critical point in 1980. And also there is the relationship between the hunger map and the population growth rate. This is the example of the global issues, and I believe that in future you will solve these problems. Finally, I’d like to mention: young researchers, you are very lucky, because we are facing many, many global issues to resolve. And I am praying for all of your success in the future. Thank you so much for you’re kind attention.

Guten Morgen. Ich fühle mich so geehrt, diese Gelegenheit zu bekommen und danke daher den Mitgliedern des Kuratoriums der Nobelpreisträgertagungen in Lindau dafür. Zunächst sollten Sie wissen, dass ich kein Physiker bin. Ich gehöre der Fakultät der Ingenieurwissenschaften an. Heute möchte ich daher betonen, wie wichtig nicht nur die Naturwissenschaft ist, sondern auch die Ingenieurwissenschaften, das ist ein Punkt. Und der zweite ist, dass mein Gebiet vielleicht nicht das Hauptgebiet dieses Treffens ist, dass Forschung auf Nebengebieten aber auch sehr wichtig ist. Ich würde daher gerne in dieser Präsentation 2 Dinge aufzeigen. Gemäß der Nobel Stiftung birgt die LED-Lampe die große Hoffnung, die Lebensqualität von über 1,5 Milliarden Menschen in der ganzen Welt zu verbessern. Zunächst beginne ich, indem ich erzähle, wie ich den blauen LEDs begegnete. Ich war kein guter Schüler in der Grundschule oder Highschool. Mein Eindruck damals war, dass die Schulzeit in Japan nur dazu diente, an eine gute Highschool oder gute Universität zu kommen. Ich konnte jedoch den Grund nicht verstehen, warum ich so viel lernen sollte, nur um an die Highschool oder an die Universität zu kommen. Aber als ich das Studium begann, erklärte der alte Professor in der ersten Vorlesung zur Einführung in die Ingenieurwissenschaften die Bedeutung des japanischen oder chinesischen Kanji-Zeichens; wir nennen es Kô. Kô bedeutet Ingenieurwissenschaft, der obere Querstrich bedeutet ‚die Menschen‘. Dieses Zeichen, das Ingenieurwissenschaft bedeutet, verbindet Menschen mit Menschen, was bedeutet, dass Ingenieure die Menschen unterstützen sollen. Dann, plötzlich, verstand ich, warum ich studieren sollte. Für mich bedeutet studieren, dass man es für die Menschen tut, nicht um an die Universität zu gelangen. Damit war ich in der Lage, meine Einstellung zu ändern, und ich studierte fleißig an der Universität, sehr fleißig. Dies hier fasst die Entwicklung der LEDs zusammen. Die ersten kommerziell erhältlichen LEDs waren die roten LEDs, die aus einer Galliumarsenid- oder Galliumarsenidphosphid-Verbindung bestanden, und im Jahr 1962 von Professor Holonyaks Gruppe an der Universität von Illinois erfunden wurden. Im Jahr 1974 entwickelte der Hewlett Packard-Ingenieur George Craford grüne LEDs auf Galliumphospidbasis. Zu der Zeit konnten sich viele Forscher, aber nicht nur Forscher, sondern die Wissenschaftler, die das Periodensystem der Elemente studierten, all diese Leute konnten sich vorstellen, was das nächste wäre. Das nächste sollten galliumnitrid-basierte blaue LEDs sein. Dieses Material, Galliumnitrid, der Ursprung des Galliumnitrids war in diesem Land. Der deutsche Physiker Professor Grimmeiss fand, wie wichtig dieses Material für blaues Licht emittierende Dioden war, im Jahr 1960, vor 56 Jahren. In den 1970er Jahren machten sich daher viele Forscher in der gesamten Welt daran zu versuchen, die blauen LEDs basierend auf Galliumnitrid zu kommerzialisieren. Beispielsweise die Universität von Stanford und RCA in den Vereinigten Staaten, Philips. Oder in Japan Oki Electric, Hitachi oder Matsushita, jetzt Panasonic. Aber unglücklicherweise waren alle Bemühungen in den 1970ern nicht erfolgreich. Der Versuch kam zu früh, es gab keine guten Kristalle, keine p-Leiter, kein Indiumgalliumnitrid. Viele Forscher gaben daher diese Werkstoffe auf und begannen neue Materialien zu erforschen, wie Zinkselenid. Es gab nur eine Person, die dieses Material nicht aufgeben konnte: mein Doktorvater Professor Isamu Akasaki. Er konnte dieses Material nicht aufgeben. Aber unglücklicherweise entschied sich seine Firma, aus dem Projekt auszusteigen. Also musste er im Jahr 1981 von der Firma weggehen zur Universität von Nagoya. Und ich trat seiner Gruppe als Diplomand in Jahr 1982 bei. Als ich das Thema der Forschung für die nitridbasierten blauen LEDs sah, war ich sehr aufgeregt. Der Grund war, dass ich mich als Universitätsstudent vom 1. Jahr bis zum 3. Jahr für Mikrocomputersysteme interessierte, die nun PCs heißen, Personal-Computer-System. Weil im Jahr 1975 Bill Gates und Paul Allen Microsoft gründeten. Und ein Jahr später realisierten Steve Jobs und Steve Wozniak den Apple 1. Durch diesen Erfolg wurde die Entwicklung der Personalisierung der Mikrocomputersysteme so erfolgreich. Ich wollte zur Weiterentwicklung der Mikrocomputersysteme beitragen. Und der Bildschirm war ein Teil davon. Die ganze Zeit, in all den Bildschirmen, wurde die braunsche Röhre verwendet, die so groß und so ein Energiefresser war. Wenn ich also die blaue LED schaffen könnte, würde ich die Welt ändern. Das war der Grund, warum ich begann, meine Arbeit der Galliumnitridforschung zu widmen. Als Professor Akasaki von der Firma zur Universität wechselte, wurde eine sehr wichtige Entscheidung getroffen: Das war, die Kristallwachstumsmethode vom üblichen Hydridaufdampfverfahren (HVP) zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) zu ändern. Der Grund war, HVP war sehr, sehr kompliziert und Studienanfänger wie ich konnten das Wachstumssystem nicht kontrollieren. Aber MOVPE war ein neues Wachstumssystem, das man ziemlich leicht kontrollieren konnte. Dann entschied Professor Akasaki, die metallorganische Gasphasenepitaxie, abgekürzt MOVPE, zu benutzen. Das war eine sehr gute Entscheidung. Es gab aber ein Problem: Wenn wir das MOVPE-System kaufen wollten, benötigten wir mindestens 1 Million €. Das Forschungsbudget in Japan an der Universität betrug seinerzeit 25.000 €. Wir konnten es also nicht kaufen. Daher entschieden wir Studenten, dass wir unser eigenes Kristallwachstumssystem entwickeln würden. Nun, dies ist „the only one“ (Der Einzige), unser Original-MOVPE-Reaktor für 25.000 €. Die Bierflasche - die Bierflasche ist sehr wichtig, um die Hochfrequenzspule herzustellen. (Gelächter) Indem wir sie erhitzten und um die Bierflasche wickelten, konnten wir eine sehr gute Hochfrequenzspule herstellen. Auf diese Weise haben wir unseren original MOVPE-Reaktor entwickelt und waren in der Lage, die Experimente für das Kristallwachstum des Galliumnitrids auf einem Saphirsubstrat durchzuführen. Das sind die guten alten Zeiten. Im Labor kannte niemand den neuen Wachstumsprozess MOVPE. Daher konnte auch ein Studienanfänger wie ich sehr, sehr ungezwungen mit dem außerordentlichen Professor diskutieren, es gab keine Hierarchie. Und der Student konnte auf eigene Faust mit dem Experiment weitermachen. Dann neigen die Studenten dazu, sich für ihre Forschungsergebnisse verantwortlich zu fühlen. Ich habe es sehr genossen, die Experimente durchzuführen, aber es war sehr, sehr schwierig, Galliumnitrid-Kristalle sehr hoher Qualität zu züchten. So vergingen 3 Jahre ohne jegliche Verbesserung. Aber gerade am Ende des Masterstudiums entschied ich mich, die Zuchtprozedur zu ändern und eine Pufferschicht zu benutzen. Die Idee rührte aus einer Diskussion mit einem jungen Professor her, Professor Sawaki. Er erwähnte immer wieder, dass bei BP - BP ist Borphospid, Borphosphid auf einem Siliziumsubstrat – die vorherige Abscheidung des phosphorenthaltenden Puffers das laterale Wachstum des Borphosphids verbessert. Dann kann Borphosphid einer hohen Qualität auf einem Siliziumsubstrat gezüchtet werden. Dann stellte ich mir vor, wenn ich Aluminiumnitrid, die unterschiedlichen Materialien, als eine Pufferschicht verwendete, könnte ich vielleicht die Qualität verbessern. Dann gelang es mir plötzlich, Galliumnitrid der weltbesten Qualität auf einem Saphirsubstrat zu züchten, indem ich den Niedertemperaturpuffer verwendete. Also schrieb ich die Veröffentlichung und reichte sie bei Applied Physics Letters ein. Aber diese Veröffentlichung wurde nicht von anderen Forschern wahrgenommen. Die Ära hatte von Nitrid zu Zinkselenid gewechselt. Überall auf der Welt boomte Zinkselenid. Ich möchte Sie junge Forscher daher fragen, was würden Sie als Forschungsaufgabe wählen? Das Hauptgebiet: Viele Forscher, harter Wettbewerb. Sie können viele, viele Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften schreiben und mit großer Wahrscheinlichkeit eine akademische Stellung erhalten. Das Nebengebiet: geringe Anzahl an Forschern, bescheidener Wettbewerb. Es kann schwierig sein, Veröffentlichungen in Zeitschriften zu schreiben. Geringe Wahrscheinlichkeit, eine akademische Stellung zu erhalten. In meinem Fall entschied ich mich für das Nebengebiet. Ich versuchte auch, ein Patent zu schreiben - ein Patent ist auf dem Gebiet der Ingenieurwissenschaften sehr wichtig. Ich untersuchte daher die vorherigen Veröffentlichungen und fand 2 wichtige Veröffentlichungen: Galliumarsenid auf Silizium und Galliumnitrid auf Saphir. Im Falle des Galliumarsenids wurde Niedertemperaturgalliumarsenid verwendet, was dasselbe Material ist. Also in meinem Fall verwendete ich Aluminiumnitrid - das war also anders. Und im Fall von Galliumnitrid auf Saphir. Es wurde mithilfe der Molekularstrahl-Epitaxie gezüchtet, und ein Galliumnitrideinkristall wurde verwendet. Ich selbst verwendete keinen Einkristall, sondern amorphes Aluminiumnitrid oder polykristallines Aluminiumnitrid. So, das war auch anders. Ich fokussierte mich darauf, nur das Niedertemperaturaluminiumnitrid zu beanspruchen, und reichte das Patent im Jahr 1985 ein. Aber 6 Jahre später, im Jahr 1991, reichte eine japanische Firma – vielleicht kennen Sie Nichia Corporation, geführt von Professor Nakamura - sein Team reichte ein Patent auf dieses Niedertemperatur-Galliumaluminiumnitrid ein, mit der Ausnahme von Aluminiumnitrid. Verstehen Sie, was das heißt? Ich konnte es nicht glauben, aber das Patent wurde gewährt - ich lernte so viel über das Patent. Wie auch immer, das nächste Ziel für uns war natürlich das p-leitendes Galliumnitrid. Also konzentrierte ich mich während der 3 Jahre meiner Doktorarbeit darauf, p-leitendes Galliumnitrid zu züchten - ohne Erfolg. Aber ich entdeckte ein interessantes Phänomen. Ich besuchte NTT als Praktikant und fand heraus, dass die blaue Lumineszenz des zinkgedopten Galliumnitrids durch Elektronenstrahlbestrahlung unumkehrbar erhöht wurde. Ich war so aufgeregt und versuchte, die Zeitschriftveröffentlichungen zu schreiben, um den Doktorgrad zu erlangen. Aber als ich zur Universität von Nagoya zurückkehrte und die alten Veröffentlichungen untersuchte, da fand ich, dass Dr. Saparin an der Universität von Moskau dasselbe Phänomen schon 1983 entdeckt hatte - 4 Jahre vor meinen Ergebnissen. Ich war so niedergeschlagen und gab auf, damit den Doktorgrad zu erreichen. Aber ich hatte das Glück, meine Forschung über die Suche nach p-leitendem Galliumnitrid als Forschungsassistent mit der Unterstützung von Professor Akasaki fortsetzen zu können. Ein Jahr nach der Verleihung meines Doktortitels fand ich dieses Diagramm. Dieses Diagramm zeigt, was Phillips im Buch „Bonds and Band in Semiconductors (Bindungen und Bänder in Halbleitern)“ erwähnte, dass bei Galliumphosphid, Magnesium viel, viel besser für die Aktivierung ist als Zink. Also fand ich meinen Fehler: Ich sollte Magnesium verwenden. Dann, in Verbindung mit der Elektronenstrahlbehandlung, realisierten wir p-leitendes Galliumnitrid, das p-n Übergangs-LED, weltweit zum ersten Mal im Jahr 1989. Und der Mechanismus der p-Leiterkonvergenz sollte nach dem ersten Eindruck mit dem thermischen Effekt verknüpft sein. Aber für mich war der thermische Effekt nicht so aufregend, es war sehr, sehr leicht. Ich versuchte daher, einen anderen Mechanismus zu finden. Ich untersuchte die Laserstrahlbestrahlung oder die Mikrowellenbestrahlung, alle andere Arten der Bestrahlung. Aber all die Mühen waren vergebens. Im Jahr 1991, 2 Jahre später, fand eine dieser Gruppen der japanischen Firma, Professor Nakamuras Gruppe, heraus, dass Konvergenz im p-ten Mittel nur durch thermisches Glühen realisiert werden kann. In diesem Fall studierte ich auch viel Physik. Dann war das nächste Ziel die wahre blaue Lumineszenz, Indiumgalliumnitrid. Im Jahr 1986 standen wir natürlich ganz am Anfang. Aber in unserem Fall konnten wir nur einen Indiumgehalt von 6 % realisieren, der für die blaue Lumineszenz unzureichend war. Für die blaue Lumineszenz benötigen wir mindestens 15 %. Der Grund ist ganz einfach: Wir benutzten Wasserstoff als Trägergas. Aber im Jahr 1989 gelang es der NTT-Gruppe, Professor Matsuoka, Indiumgalliumnitrid mit hohem Indiumgehalt zu züchten. Der Grund ihres Erfolgs war, dass sie Stickstoff als Trägergas benutzten – der einzige Unterschied ist Wasserstoff oder Stickstoff. Im Jahr 1993 wurde die erste Kommerzialisierung der blauen LEDs auf Indium-Gallium-Nitridbasis durch Professor Nakamuras Team bei Nichia Corporation erzielt. Ich möchte daher betonen, wie blaue LEDs unser Leben verändert haben - oder Ihre Leben. Der Grund, warum Sie sich an Game-Boys, Smartphones, mobile Telefone mit voller Farbdarstellung erfreuen können, ist die Entwicklung der blauen LEDs. Aber einige Menschen beschweren sich über die Zunahme der Abhängigkeit von den Smartphones. Als ich Student war, überlegte ich mir die Anwendung, nur stellte ich mir die Bildschirme vor. Aber einer der Ingenieure bei Nichia Corporation, Dr. Bandoh, fand heraus, dass dieser Mechanismus – dies ist die blaue LED, und wenn man diesen gelben Film dazunimmt, kann man einfach eine weiße LED realisieren. Die Anwendungen der blauen LEDs waren dann erweitert – nicht nur für Bildschirme, sondern auch für Beleuchtungssysteme im Allgemeinen. Ich kann daher sagen, dass dies ein gutes Beispiel für die Tatsache ist, dass neue Technologie zu neuen Anwendungen führt. Heute ist die Effizienz der LED-Beleuchtung achtmal höher als die der Glühlampe und doppelt so hoch wie die der Leuchtstoffröhre. Dann können wir eine Reduzierung des Stromverbrauchs durch die Nutzung oder den Ersatz der konventionellen Beleuchtungssysteme durch LED-Beleuchtungssysteme erwarten. Dieses Diagramm zeigt die Stromerzeugung und die CO2-Emissionen in Japan. Vor 2011 wurden circa 30 % unseres Stroms durch Atomkraftwerke erzeugt. Aber in Japan müssen wir aufhören, Atomkraftwerke zu nutzen. Daher steigt der Anteil der Wärmekraftwerke drastisch, fast 90 %. Und daher steigen die CO2-Emissionen drastisch. Das Regierungsziel bis zum Jahr 2030 ist dieses Niveau. Vielleicht führt die schrumpfende Wirtschaftsaktivität viel schneller dazu, aber trotzdem. In Japan können wir den gesamten Stromverbrauch bis zum Jahr 2020 um ungefähr 7 % reduzieren, wenn wir unsere Beleuchtungssysteme durch LED-Lampen ersetzen - das entspricht 1 Billion Japanischer Yen. Noch wichtiger, dieses LED-Beleuchtungssystem ändert nicht nur unser Leben, sondern hält auch unser traditionelles Leben aufrecht, beispielsweise in der Mongolei. Für Mongolen ist das nomadische Leben Tradition. Aber durch die unzureichende Beleuchtung bei Nacht wollen die jungen Menschen in die Stadtgebiete ziehen, und sie wollen permanente Wohnungen haben. Jedoch zieht es mit dem Aufkommen der LEDs die jungen Leute zurück zum nomadischen Leben. Ich besuchte diesen Mann in seiner Jurte und fand, dass die LED-Lampe tatsächlich in der Jurte benutzt wird. Ich war daher sehr glücklich, das zu sehen. Das Nächste sind die LEDs im tiefen UV für die Wasseraufbereitung. UNICEF hat berichtet, dass immer noch mehr als 600 Millionen Menschen keinen Zugang zu verbessertem Trinkwasser haben. Und 2,4 Millionen Menschen nutzen keine verbesserten sanitären Anlagen. Die globale Erwärmung verursacht zusätzlich einen Anstieg der Bakterien im Trinkwasser, sogar in den nördlichen Regionen. Wasseraufbereitung ist daher sehr wichtig. Daher entwickelten wir unser neues, ursprüngliches Kristallzuchtsystem. Und mit der Unterstützung der Regierung waren wir bei der Herstellung von LEDs im tiefen UV erfolgreich. Das ist ein Beispiel - es ist nicht so hell, aber es kann den blauen Phosphor anregen. Dies ist ein Beispiel einer Abtötung der Bakterien. Das Wasseraufbereitungssystem wurde bereits kommerzialisiert. Und es wird auch benutzt für die Sterilisierung, Härtung von Harzen, das Drucken, Unterscheidung von Geldscheinen, Fotolithografie, und auch in der Medizin, in der Dermatologie. Unser nächstes Ziel ist daher ein Hochleistungsgerät. Die Solarzelle basiert beispielsweise auf Gleichstrom, aber wir benutzen in unseren Häusern Wechselstrom. Das elektrische Auto, die Batterie ist Gleichstrom, aber der Motor ist Wechselstrom. Also müssen wir von Gleich- zu Wechselstrom wechseln; dazu wird ein Wechselrichter verwendet. In einem normalen Wechselrichtersystem ist die Effizienz im Mittel 95 %. Aber wenn wir ihn mit neuen Materialien ersetzen, können wir die Effizienz noch weiter auf über 99 % steigern. Und indem wir dieses System benutzen, können wir eine kohlenstoffneutrale Gesellschaft in der nahen Zukunft realisieren, wie etwa COP21. Schließlich möchte ich noch einmal für die junge Generation betonen: Ich glaube, dass Ingenieure die globalen Probleme lösen können. Beispielsweise gibt es eine Beziehung zwischen Terrorismus und dem Gini-Koeffizienten, dem Unterschied zwischen Reich und Arm. Es ist im Jahr 1980 ein wichtiger kritischer Punkt. Und es gibt auch die Beziehung zwischen der Hungerkarte und der Bevölkerungswachstumsrate. Das ist das Beispiel der globalen Probleme, und ich glaube, Sie werden diese Probleme in der Zukunft lösen. Schlussendlich möchte ich etwas erwähnen: Sie jungen Wissenschafter, Sie haben Glück, weil wir so vielen zu lösenden globalen Probleme gegenüberstehen. (Gelächter) Und ich hoffe inständig, dass Sie alle erfolgreich sein werden. Vielen Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit.

Hiroshi Amano (2016)

Lighting the Earth by LEDs

Hiroshi Amano (2016)

Lighting the Earth by LEDs

Abstract

I would like to emphasize how materials science and engineering have played a key role in realizing innovation in displays and artificial lighting, using blue LEDs as an example. Portable game machines and cellular/smart phones are very familiar items, especially to young people. It should be stressed that the younger generation can now enjoy full-color portable games and cellular/smart phones because of the emergence of blue LEDs based on nitrides. Today, the applications of blue LEDs are not limited to displays. In combination with phosphors, blue LEDs can act as a white light source and are also used in general lighting. In this presentation, I will describe how these material systems were developed and what the researchers who first developed these systems were aiming for. In addition, I will discuss what the next generation of researchers should be doing to achieve future innovations.

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