Гори оно все голубым светом!

Послойная структура голубого светодиода (Blue LED) и диодная лампа справа. Иллюстрация Science Daily

В этом году нобелевской наградой отмечен успешный коммерческий продукт, нашедший самое широкое применение во всем мире. 

Ньютон в конце XVII – начале XVIII века долго спорил с Лейбницем о природе света, приводя в качестве довода разложение белого света на семь его составляющих: красный – на одном краю спектра, зеленый – в его середине и сине-фиолетовый – на противоположном спектральном полюсе. Англичанин уверял, что свет представляет собой частицы-корпускулы, хотя разноцветный спектр указывал на совокупность, как потом выяснилось, разной длины световых волн. Все они переносят разную энергию: красный свет нас согревает, а сине-фиолетовый может раздражать сетчатку глаз, не говоря уже о сжигающем кожу и убивающем микробы и вирусы ультрафиолете.

Неудивительно, что поначалу были созданы удостоенные Нобелевской премии микроволновые, или инфракрасные, лазеры-мазеры, а затем и красный с зеленым. Создание же сине-голубых потребовало десятилетия теоретико-экспериментальных исследований и развития технологий.

Свечение полупроводников заметил еще сотрудник лаборатории итальянца Гульельмо Маркони в начале прошлого века. Занимались свечением полупроводников и в одной советской лаборатории между войнами. Но все это была феноменология, не выходившая за пределы лабораторных стен.

Лишь в самом начале 1990-х создались предпосылки практического применения накопленных знаний в области микроэлектроники и сопутствующих ей технологий – использования электронных лучей для «травления» микросхем, которые все больше становились наномасштабными. Кристаллографы же дали в распоряжение ученых прочные сапфировые стекла.

Но все это не решало главной задачи, а именно – создания голубых диодов, хотя о первых красных, светивших в электронных часах и калькуляторах, уже все успели забыть. (Сейчас красные и зеленые диоды тоже широко используются, но им давно уже не тягаться с голубыми LED, Light Emitting Diodes.) И в наш век грандиозных производителей микроэлектроники трудно поверить, что прорыв был сделан всего лишь тремя упорными исследователями, в силу своей национальности по всей видимости исповедующих жизненный подход в духе восточно-философского «дзен». Речь, конечно же, идет о лауреатах Нобелевской премии 2014 года по физике – двух гражданах Японии и этнического японца с американским гражданством.

Исаму Акасаки родился в 1929 году и лишь в 35 лет окончил университет г. Нагоя, в котором был оставлен преподавать и работать в лаборатории. Именно в эту лабораторию в 1989 году, после окончания того же университета, пришел Хироси Амано (1960 г.р.). Так же долго шел к получению диплома и третий лауреат – Судзи Накамура, окончивший в 1994 году университет г. Токусима в 30-летнем возрасте. Затем он был принят на работу в небольшую химическую компанию в Японии. С накопленным опытом химика-экспериментатора Накамура перебрался в Калифорнию, где и работает сейчас в Университете Санта-Барбары.

Все трое работали в области, которую покинули многие их предшественники, потому что все знали, что нитрид галлия хоть и многообещающий в плане прямого преобразования электричества в свет, но непрактичен и нетехнологичен. Все знали, что электрический ток «гонит» электроны навстречу положительно заряженным дыркам, при встрече которых генерируются энергоемкие фотоны сине-голубого света. Но сделать практичный светодиод на основе этого полупроводника никому не удавалось.

В Нагое после тысяч трудоемких экспериментов удалось создать многослойную структуру размером с песчинку на сапфировой подложке и с примесью цинка. Но диод работал весьма тускло и не годился для промышленного использования. Эффективность удалось повысить благодаря применению нитридов индия и алюминия, но все это было не то.

Помощь пришла из-за океана, где Накамура обратил внимание на то, что в Нагое подвижность положительно заряженных дырок увеличивалась под действием электронного луча. Он объяснил соотечественникам, что электроны выбивают из дырок блокирующие их протоны водорода, что и позволило наконец-то сделать прорыв.

Вскоре был создан и голубой лазер, уменьшенная длина волны которого позволила увеличить плотность размещения информации в четыре раза. Так родились известные всем сегодня Blue-Ray диски со множеством фильмов на них. Новые LED увеличили «отдачу» белого света по сравнению с лампами накаливания почти в 20 раз, а «жизнь» лампочки до 100 тыс. часов!

Неудивительно, что за такое достижение японская «троица» удостоилась высшей научной награды.