Зелёный свет для синих светодиодов

В октябре 2014 года Нобелевскую премию по физике получили создатели энергоэффективного освещения.

Нобелевская премия по физике в 2014 году присуждена изобретателям высокоэффективных синих светодиодов, основанных на принципе умножения частоты резонанса полупроводников, — японцам Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (гражданин США). Когда ученые «получили яркое синее излучение, экспериментируя с полупроводниками в начале 1990-х, они встали у истоков фундаментальной трансформации технологии искусственного освещения», говорится в сообщении Шведской королевской академии наук. Победители получат 8 млн норвежских крон (около $1 млн), которые разделят между собой.

Классические синие светодиоды серийно выпускались с 1980 х гг., однако их яркость была низкой из-за принципиальных ограничений коэффициента полезного действия. Изобретение ученых, в частности, открыло путь к созданию экономичных цветных экранов на светодиодах, не требующих подсветки. Кроме того, наличие дешевых мощных синих светодиодов позволило создать на их базе белые светодиоды, которые в настоящее время широко применяются в быту для энергоэффективного освещения.

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. 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 Сorporation 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 Сюдзи 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.

С 2005 года две компании — Nichia Corporation и Cree — обеспечивают более 80% мирового производства кристаллов синего и зеленого свечения.