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.

Обсудить
11:53 2 декабря 2016

Чужими молитвами

В Лос-Анджелесе наградили лучшие видеоигры и показали будущие бестселлеры
В Россию вернулся «Прогресс»
Кто виноват в падении «Прогресса» и почему это — приговор космической отрасли
Чужими молитвами
В Лос-Анджелесе наградили лучшие видеоигры и показали будущие бестселлеры
Четыре мужика в одной палатке
Какие прелести таит продолжение японской культовой ролевой игры Final Fantasy XV
«Великобритания не знает, относится ли она к Европе»
Даг Уоллас о русской и британской литературе и самосознании
INDIO, CA - OCTOBER 14:  (L-R) Musician Keith Richards, singer Mick Jagger and musician Charlie Watts of The Rolling Stones perform during Desert Trip at the Empire Polo Field on October 14, 2016 in Indio, California.  (Photo by Kevin Winter/Getty Images)Че-то приуныли
Как The Rolling Stones записали первый альбом за 11 лет — возможно, и последний
Девочки или виденья
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Союзников» до «Плохого Санты 2»
Ленинград в зазеркалье
Как питерские фотографы-любители определили эстетику конца XX века
BEVERLY HILLS, CA - OCTOBER 04:  Internet personality Casey Neistat accepts the First Person award onstage the 6th annual Streamy Awards hosted by King Bach and live streamed on YouTube at The Beverly Hilton Hotel on October 4, 2016 in Beverly Hills, California.  (Photo by Mike Windle/Getty Images for dick clark productions)Закрой канал, я ухожу
Почему интернет-звезды отказываются от миллионов и завязывают с YouTube
Владимир Познер«Я за сопротивление хамству, бескультурью и мракобесию»
Владимир Познер о духовных скрепах, байкере Хирурге и поиске национальной идеи
Дмитрий МедведевПо секретным каналам
Где раскрываются тайны российской политики
Прикормленные детки
Как политическую элиту США посчитали сектой педофилов
«Вы приехали»
Длительный тест Toyota Camry с «Яндекс.Навигатором»
Безумные трюки грузовиков Volvo
Самые необычные видеоролики с грузовиками Volvo
Выбираем лучший компактный седан
Длительный тест Octavia, Elantra, Corolla и Mazda3
Как полиция перехватывает машины
Полицейские лайфхаки или 8 инновационных способов остановить преступника
Конец близок
Уходящий 2016 год может стать последним для ипотеки
Лестница в ад
Неприглядная правда об интеллигентных обитателях центра Москвы
Да он упоротый просто
Самые странные дома мира в фотографиях из Instagram
Худо будет
Москвичи тратят миллионы на квартиры, в которых невозможно жить