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
Наука и техника
 — 
00:01 Сегодня
A cold water immersion experiment at Dachau concentration camp presided over by Professor Ernst Holzlöhner (left) and Dr. Sigmund Rascher (right). The subject is wearing an experimental Luftwaffe garment

Птичку жалко

Почему нацисты защищали права животных и уничтожали людей
Каждое третье убийство
Центральную и Южную Америку захлестнула волна насильственных преступлений
Неудачное начало
Чем запомнятся первые 100 дней правления Дональда Трампа
Владимир Путин и Синдзо Абэ«Мы с Владимиром хотим идти рука об руку»
Из десятков намеченных планов Абэ и Путин пока готовы реализовать только один
Как живется Микки-Маусу в КНДР
Что представляет собой поп-культура Северной Кореи
Приоткрытый авангард
Почему выдающееся искусство XX века нужно искать в провинции
Талантливый мистер Демме
Фильмы, которыми запомнится режиссер Джонатан Демме
Искатели растерянных женщин
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Затерянного города Z» до «Идеаля»
Придумали тоже
Gorillaz и другие группы, которых не было
«Скотина тупая! Я тебя больше не знаю»
Как на радио швыряются стаканами и обмениваются оскорблениями
Не брат ты мне...
Как популярные интернет-сервисы унижают чернокожих и азиатов
Пацан к успеху шел
Обиженный на весь мир школьник изобрел идеальное оружие против Sony и Microsoft
Три алмаза за клубничку
Азиаты тратят последние деньги на трансляции с обнаженными дамами
Брить или не брить
Поклонницы натуральной красоты массово отказываются от эпиляции
CULVER CITY, CA - NOVEMBER 12: Founder, Snapchat Evan Spiegel (L) and model Miranda Kerr attend the Fifth Annual Baby2Baby Gala, Presented By John Paul Mitchell Systems at 3LABS on November 12, 2016 in Culver City, California. (Photo by Tommaso Boddi/Getty Images for Baby2Baby)Триумф ботана
Самый престижный жених современности — IT-магнат
«Американцы — радостный народ»
Рассказ москвича, переехавшего в Сан-Франциско
Мама — марихуана
Зачем американки совмещают употребление наркотиков с воспитанием детей
Очеловеченный фургон
Длительный тест стильно-пассажирского VW Multivan
ОСАГО надо?
Автомобильные аварии, превращенные в искусство
Самые крутые локомобили
Машины, которые ездят по рельсам
Самые выдающиеся французские машины
10 автомобилей из Франции, ставших культовыми
Чудеса селекции
Что получится, если скрестить квартиру с дачей: опыт россиян
Шведы поневоле
Исповедь россиянина, живущего в групповой семье
Добро пожаловать в рай
Жилье в Крыму: новую квартиру на полуострове можно купить за миллион рублей
Сносное настроение
Демонтаж жилых домов в Москве: что нужно знать
Вышка светит
Как выглядит частный особняк, побивший мировой рекорд этажности