Шведская королевская академия наук 7 октября 2014 года назвала новых лауреатов Нобелевской премии по физике. 10 декабря на праздничной церемонии в Стокгольме будут чествовать Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) за разработку принципиально новых экологически чистых источников света. Синие светодиоды почти в 5 раз эффективнее люминесцентных ламп и в 20 — обычных ламп накаливания.
Синие светодиоды и устройства на их основе выпускают такие промышленные гиганты, как General Electric, Philips, Osram и другие. Полупроводниковые лампы применяются крайне широко — от бытовой электроники и мобильных телефонов до медицинских приборов и высокочувствительных датчиков. Примерно четверть мировой электроэнергии расходуется на освещение, и светодиоды — одно из самых перспективных направлений использования электричества.
В начале 1960-х на основе фосфорида и арсенида галлия созданы первые промышленные образцы светодиодов, излучающие красный свет, а потом и зеленый. Уже тогда эти устройства были эффективнее обычных ламп накаливания. Применялись они в качестве разнообразных цветовых индикаторов. Однако получить дешевый и яркий синий светодиод долго не удавалось.
Энергетическая щель (запрещенная зона) — интервал энергий, в котором в идеальном кристалле, согласно квантовомеханической теории движения электронов в твердом теле, не могут находиться электроны. Такая щель отвечает интервалу между валентной зоной и зоной проводимости в кристалле.
Стандартный светоизлучающий диод содержит три слоя полупроводниковых материалов. Электрическое напряжение заставляет электроны от анода (n-слоя) и дырки от электрода (p-слоя) двигаться в промежуточный слой, где они рекомбинируют с излучением фотонов. Промежуточный слой представляет собой специальный кристалл с определенной шириной запрещенной зоны. Ширина этой зоны, а также примеси в кристалле определяют цвет излучения.
Сравнение эффективности источников света
Изображение: nobelprize.org
Главная трудность заключалась в поиске хорошего кристалла для промежуточного слоя. Чтобы он излучал синий свет, необходим материал с большой шириной запрещенной зоны. Это связано с тем, что энергия фотонов в синем диапазоне электромагнитного спектра почти в два раза больше, чем в красном.
Нужными для синих светодиодов свойствами обладают элементы II и IV групп таблицы Менделеева, а также нитриды элементов III группы, поэтому ученые начали свои эксперименты именно с них. Первые опыты показали, что у излучения светодиодов с кристаллами на карбиде кремния (SiC) низкий коэффициент полезного действия и невысокий квантовый выход — число фотонов, образовавшихся в результате рекомбинации пары электронов и дырок.
Устройства на основе селенида цинка (ZnSe) перегревались и поэтому служили недолго. В 1970-х физики пытались использовать нитриды в качестве материала для промежуточного слоя. О возможности получения эффективных светодиодов на такой основе еще в 1960-х годах сообщали ленинградские исследователи из лаборатории Жореса Алферова.
Устройство стандартного и синего светодиодов
Изображение: nobelprize.org
Однако только Жаку Панкову (Якову Панчечникову) из IBM (International Business Machines) удалось создать первый синий светодиод с кристаллом из нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. Лампа с драгоценным камнем не встретила поддержки в американской компании.
Спустя почти 20 лет, в середине 1980-х годов, японские ученые Акасаки и Амано из Нагойского университета предложили использовать в светодиоде тот же нитрид галлия, но с примесью магния. Облучив новый материал потоком электронов, они заставили его светиться.
В 1989 году на открытие Акасаки и Амано обратил внимание сотрудник Nichia Corporation Накамура и усовершенствовал технику своих коллег. Ученому из частной компании удалось предложить удачный метод допирования промежуточного слоя. Материал подвергался специальной термообработке и получал примеси не только магния, но и цинка, а потом — и индия.
Nichia Corporation запатентовала технологию Накамуры (и его коллег). В 1993 году компания первой в мире наладила промышленный выпуск синих светодиодов и уже к концу 1990-х выпускала около 20 миллионов таких устройств в месяц. Изобретателю корпорация заплатила меньше 200 долларов, и в 1999 году Накамура подал на нее в суд, выиграв после пяти лет разбирательств 20 миллиардов иен (около 200 миллионов долларов по курсу 2004-го).
Тяжба с Nichia Corporation побудила ученого уволиться из компании и переехать в США. Там он устроился на работу в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, а также научным консультантом в частную Cree Inc., занимающуюся с 1987 года исследованиями и производством светодиодов.
Как отметил в беседе с «Лентой.ру» генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов, проблема создания светодиодов, излучающих синий свет, носила в значительной степени технологический характер. «На тот момент уже был запрос от индустрии — им требовался синий светодиод. Все это понимали. И с нитридом галлия многие бились, но именно японские коллеги решили эту проблему. Они подобрали легирующие элементы, научились растить эту структуру на сапфире, использовали нужную кристаллическую решетку, чтобы добиться требуемого уширения зоны и таким образом увеличить энергию и получить синий цвет», — сообщил эксперт.
«Имея синий светодиод, с помощью люминофоров можно получить менее энергетические зеленый и красный. Во первых, это дешевле, а во-вторых, красный, зеленый и синий диоды во времени деградируют по-разному и цвет лампы менялся бы. Все это, с одной стороны, снимает проблему цвета, а с другой — удешевляет технологию. Это такое универсальное решение», — продолжает он.
«Светодиодные лампы очень скоро все победят. В ближайшие три года эта технология раскроется еще больше», — заключил специалист.