Лампочка Накамуры

Нобелевскую премию по физике присудили за создание дешевых синих светодиодов

Фото: Toru Hanai / Reuters

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.

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.

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.

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.

подписатьсяОбсудить
00:03 25 августа 2016
Вид с Proxima b на Проксиму Центавра (в представлении художника)

Внесистемная позиция

У ближайшей к Солнцу звезды открыли «вторую Землю»
Где золото моют
Репортаж «Ленты.ру» с золотого прииска в Якутии
Ваши мечты не сбудутся
Почему «Газпром» заставляет ветеранов и многодетных родителей сносить свои дома
Путин в образе
Как партии используют президента в предвыборной кампании
Валерий Газзаев«В спорте, как и в политике, — все специалисты»
Зачем Валерий Газзаев уходит из большого спорта в большую политику
Си Цзиньпин и Владимир ПутинНа пути к союзу?
Как далеко может зайти сближение России и Китая
Итальянский афтершок
Землетрясение в Италии унесло жизни десятков человек
Метамфетаминовая эпидемия
Во все тяжкие пустились страны, о которых вы и не думали
Нелетная погода
Почему Иран разрешил, а потом запретил России использование базы Хамадан
Оборотень в слипонах
Кеды, альпаргаты и прочая обувь, делающая жизнь проще
Более лучше
Как изменилась уличная мода в Москве за 25 лет
Рыжая и бесстыжая
Чем модельер Соня Рикель удивила мир
Пошли на тело
Как и зачем в России отмечают день тельняшки
Так поплаваем!
Какие новинки ожидаются на яхтенных шоу в Черногории и в Каннах
Дно Олимпиады
Проблемы Рио похлеще допингов и переломов
«Я не позволяла себе ничего, каждая копейка уходила на кредит»
Рассказ россиянки, купившей не одну квартиру при зарплате в 40 тысяч рублей
Камерная дача
10 фактов о доме в Форосе, ставшем тюрьмой для Горбачева
До чего докатились
Как выглядят лица людей, съехавших с небоскреба
Бабушкино наследство
Вся недвижимость кандидата в президенты США Хиллари Клинтон