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
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество
Participants attend a gay pride parade in central Istanbul June 30, 2013. Tens of thousands of anti-government protesters teamed up with a planned gay pride march in Istanbul. Crowds were stopped by riot police from entering Taksim, the centre of previous protests, but the atmosphere appeared peacefulОпасное интернет-проникновение
Грозит ли подъем геев-мусульман исламскому миру
Китайский интерес
Пекин желает смерти уйгурским боевикам в Сирии, но вмешиваться в войну не готов


Из ЕС в сексуальное рабство
Что вынуждает румынок отправляться на Сицилию, где их ждет неволя
Парное выступление
Министры России и Японии обсудили безопасность в формате «два плюс два»
Сборный вопрос
Найдет ли бизнес выгоды в новом налоговом маневре
Соловьиные стартапы
Какие инновации нашли эксперты фонда «Сколково» в Курске
Дмитрий МедведевГарантия роста
Как государство стимулирует отечественный экспорт
Инновации плюс электрификация
Как видит BMW Group свою дальнейшую стратегию
Пиджак и боб
Самое крутое автомобильное видео марта
Странный концепт BMW, о котором все забыли
Пластиковый памятник смелым идеям немецкой компании
Самые необычные ДТП
Автомобили на крышах, в бассейнах и другие непонятные аварии, достойные премии
Машины, которым не повезло
Посмотрите, какими могли бы быть известные машины
Бог простит
В церкви нашли квартиру с красной мебелью и портретами в стиле поп-арт
Фрэнк ГериСпугнули рыбу
Почему антисемиты изгнали из Канады создателя «танцующего дома»
«Наш дом — колония строгого режима»
История семьи, оказавшейся на грани распада из-за дачи
Цветам не место в доме
Почему дети мешают взрослым жить счастливо в собственных квартирах