Лауреат Нобелевской премии по физике 2014 года профессор Хироси Амано выступил в Новосибирске с лекцией, в которой рассказал о сложной истории развития синего светодиода на основе нитрида галлия и о том, как мечта амбициозного студента воплотилась в реальной технологии, подарившей «новый свет, чтобы осветить мир».
«Признание такого уровня — не повод расслабляться, а лишь стимул развивать и совершенствовать изобретение»
Амано Хироси
«Если я смогу получить синие светодиоды, я смогу изменить мир»
Полупроводниковыми устройствами, вырабатывающими свет, будущий нобелиат увлекся еще будучи студентом Нагойского университета, и интерес к этой тематике не случаен. В это время начиналась компьютерная эра: Билл Гейтс и Пол Аллен уже основали Microsoft, а Стив Джобс и Стив Возняк собрали первый персональный компьютер Apple-I. Молодому физику хотелось внести свой вклад в развитие этих систем: дисплеи устройств на тот момент работали на электронно-лучевых трубках, а значит, были громоздкими и энергозатратными. Как и многие исследователи, Амано понимал — светодиоды могли бы улучшить ситуацию.
Проблема заключалась в том, что до изобретения синего светодиода говорить о полноцветном видеоэкране не приходилось: только комбинация трех основных цветов — синего, зеленого и красного — способна давать чистый белый, а, следовательно, и все оттенки световой гаммы. Промышленность же в то время выпускала только красные, желтые и зеленые диоды, а вот синие исследователям вплоть до 1990-х не давались и существовали только в виде экспериментальных образцов, не отличавшихся высоким качеством.
В 1981 году Хироси Амано определился со специализацией и под руководством профессора Исаму Акасаки в 1983 году защитил дипломный проект, посвященный проблеме создания синего светодиода. С полупроводниковым материалом, способным излучать нужный оттенок, исследователи определились сразу — нитрид галлия (GaN), а на то, чтобы разработать технологию промышленного производства качественных кристаллов этого вещества, потребовалось время и тысячи экспериментов.
Почему так сложно было вырастить качественные кристаллы нитрида галлия?
Как известно, светодиод (LED, светоизлучающий диод — от англ. light-emitting diode) представляет собой полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом (p-n переход). Электроны в приборе под действием напряжения могут переходить между двумя уровнями энергии — валентной зоной и зоной проводимости, расстояние между ними называется шириной запрещенной зоны, от которой, собственно, и зависит, каким будет цвет LED: если она узкая, то красным, а если широкая — синим или ультрафиолетовым. Нитрид галлия идеально подходит на роль полупроводникового материала для синего светодиода, поскольку обладает и способностью излучать свет, и широкой запрещенной зоной. Но проблема заключалась в том, что кристаллы GaN с нужной структурой вырастить чрезвычайно сложно, для этого требуются высокие температура и давление. Ученым предстояло решить, как сделать процесс получения необходимого полупроводникового материала менее дорогостоящим и более простым.
Надо отметить, что в 1980-х японской науке государством выделялось мало средств, и молодому исследователю было трудно найти достаточное финансирование для своих амбициозных экспериментов, тем более что многие крупные компании к тому времени уже прекратили разработки в этой области после многочисленных безуспешных попыток. Так, лаборатории Хироси Амано выделялось 30 тысяч долларов в год, а уже на первом этапе потребовалась установка стоимостью 1 млн долларов. В итоге реактор для синтеза, в котором ученый пытался создать пленку из нитрида галлия на сапфировой подложке, он собрал собственноручно с помощью своих студентов.
По словам Амано, он повторял опыты раз за разом, но ему не удавалось получить GaN высокого качества, необходимый для создания синего светодиода. Пленка из нитрида галлия должна быть ровной, но процесс осаждения проходит при температуре выше 1000 оС, и разница в свойствах полупроводника и подложки приводила к неравномерному росту кристаллов и большому числу дефектов. Когда количество неудачных попыток превысило полторы тысячи, ученый решил двигаться в другом направлении: ему пришла в голову идея расположить между GaN и сапфировой подложкой промежуточный слой из нитрида алюминия (AlN). Это решение оказалось удачным, и в 1985 году наконец-то была получена пленка необходимого качества.
Из лаборатории — в серийное производство
На следующем этапе требовалось выполнить еще много исследований, чтобы довести разработку до промышленного производства, а недостаток финансирования по-прежнему осложнял работу. Остро стояла проблема нехватки дорогостоящих приборов, необходимых для экспериментов. Надо сказать, будущий лауреат Нобелевской премии находил весьма нетривиальные выходы из создавшейся ситуации. Например, для измерения низкотемпературной фотолюминесценции ему приходилось ездить в университет, расположенный в соседнем городе: трижды в неделю в течение года Амано садился на мотороллер, отвозил нужные образцы и снимал спектры. Только дорога в оба конца отнимала два часа. Но потраченное время того стоило, и в 1993 году вышел первый серийный синий светодиод.
И мир, как и мечтал когда-то Амано, действительно изменился. Благодаря разработке японских ученых появились не только цветные дисплеи, получило новый виток развития и светодиодное освещение. Полупроводниковые приборы энергоэффективны, компактны и долговечны, не содержат ртути, не нагреваются и работают при низких температурах. Эти конкурентные преимущества перед другими осветительными системами позволяют LED уверенно завоевывать рынок.
Синий светодиод является также важнейшей составляющей лазера сине-фиолетового цвета, с помощью которого создана технология Blu-Ray для записи цифровых данных с повышенной плотностью, в том числе, видео высокого качества.
За светодиодами — будущее
После аварии на Фукусиме в Японии, по словам профессора Амано, приостановлена работа 48 атомных станций. Следовательно, проблема поиска новых источников энергии и снижения расходов очень актуальна. По данным Федерации электроэнергетических компаний Японии (FEPC), после землетрясения 2011 года заметно выросла доля тепловой энергетики — 88,3 % от общего объема электроэнергии, вырабатываемой в стране. А стремительное распространение светодиодов позволит к 2020 году на 7 % сократить ее потребление и сэкономить 1 трлн японских йен. В Америке, по предварительным расчетам Министерства энергетики США, к 2030 году 73,3 % всех систем освещения будет заменено на светодиодное, что также позволит значительно сократить расходы энергии. Кроме того, по мнению японского ученого, LED необходимы и в странах третьего мира, где отсутствуют надежные энергосети.
Энергоэффективное освещение — отнюдь не единственное приложение технологии на основе нитрида галлия, созданной при участии профессора Амано. Она также используется для создания высокочастотных транзисторов.
Еще одна область, в которой применение LED является очень перспективным, связана с разработкой способа очистки воды при помощи светодиодов, излучающих ультрафиолет. По данным Всемирной организации здравоохранения, около миллиарда людей на Земле не имеют доступа к чистой воде: как и дешевый свет, она до сих пор является недоступной роскошью для многих и многих. Поэтому технология, в которую мало кто верил, кроме энтузиастов-исследователей, действительно способна изменить мир и сделать жизнь людей лучше.
Подготовила Елена Трухина
Фото автора, из презентации Х. Амано и из открытых источников
