Один из лауреатов Нобелевской премии по физике за 2014 год, профессор Хироси Амано, посетил МГУ имени М.В.Ломоносова, где прочитал 2 июня лекцию о долгой и непростой истории открытия синего светодиода.

Первый светодиод создал американский физик Ник Холоньяк в начале 60-х годов прошлого века, и он был красного цвета. Спустя несколько лет были изобретены светодиоды, излучающие желтый и зеленый свет, а вот синий цвет не поддавался экспериментаторам вплоть до 90-х. О том, почему потребовалось целых 30 лет на то, чтобы светодиод стал светить синим цветом, и, главное, через какие трудности пришлось пройти, рассказал в своей лекции в минувший вторник один из авторов изобретения, профессор Хироси Амано.

В 1975 году Билл Гейтс и Пол Аллен основывают Microsoft, а годом позже Стив Джобс и Стив Возняк собирают первый персональный компьютер Apple-I. В это время в Японии у студента Хироси Амано, вдохновленного зарождающейся компьютерной эрой, появляется мечта о том, чтобы изменить мир с помощью синего светодиода. Подобные желания изменить мир свойственны многим молодым людям, но лишь единицам удается воплотить их в жизнь. В Нагойском университете, тогда еще студент, Хироси Амано знакомится с профессором Исаму Акасаки, который становится его научным руководителем. И в 1983 году Амано защищает свой дипломный проект, посвященный проблеме создания синего светодиода на основе нитрида галлия.

Стоит сказать несколько слов о том, почему же создание синего светодиода представляло такую большую проблему. Светодиод – это полупроводниковый прибор, в котором электроны под действием напряжения могут переходить между двумя уровнями энергии: валентной зоной и зоной проводимости. Расстояние между этими уровнями называется шириной запрещенной зоны. Чем она шире, тем больше энергии нужно электрону, чтобы ее «перепрыгнуть». В зависимости от полупроводникового материала переход между уровнями энергии может сопровождаться выделением тепла – и тогда мы получим обычный диод, который не светится, или испусканием кванта света – вот тогда получается настоящий светодиод. То, каким светом будет светить диод, зависит от ширины запрещенной зоны. Если она узкая, тогда светодиод светит красным, а если широкая – тогда синим или даже ультрафиолетом. На роль полупроводникового материала, у которого есть одновременно и широкая запрещенная зона, и возможность излучения света, подходит одно вещество – нитрид галлия. И все бы ничего, но создать материал с нужной кристаллической структурой оказалось чрезвычайно сложно. Именно эту проблему – как сделать нитрид галлия качественно и не дорого, удалось решить Хироси Амано.

По словам Амано, свою работу они начинали делать буквально «на коленке», поскольку средства на эксперименты были крайне ограничены. Что, собственно, и не удивительно – финансировать амбициозные эксперименты молодого изобретателя желающих на тот момент не было. Тем более некоторые крупные компании перед этим отказались от разработки синего светодиода после десятилетия безуспешных попыток.

Для своих экспериментов Амано собрал установку – реактор для синтеза, в котором он пробовал создать пленку из нитрида галлия на сапфировой подложке. Проводя эксперимент раз за разом, он получал все те же неудовлетворительные результаты, качество получаемого нитрида оставляло желать лучшего. Когда число экспериментов перевалило за полторы тысячи, Амано понял, что двигается не в том направлении, и тут ему вспомнилась одна дискуссия в лаборатории, посвященная проблемам роста кристаллов. Для того, чтобы создать светодиод на нитриде галлия, необходимо создать из него ровную пленку без дефектов на подложке из сапфира. Однако процесс осаждения проходит при температуре выше 1000 градусов, а разница в свойствах нитрида галлия и подложки приводит к неравномерному росту кристаллов и большому числу дефектов. Амано пришла в голову идея сделать между ними промежуточный слой из нитрида алюминия. Идея оказалась удачной, и в 1985 году впервые удалось создать пленку из нитрида галлия необходимого качества.

Но на этом работа не закончилась. Нужно было выполнить еще много экспериментов, а проблема недостатка средств никуда не исчезла. Дорогостоящих приборов, которые были крайне нужны для работы, у Амано не было, поэтому ему приходилось находить порой весьма нестандартные выходы из ситуации. Например, для того, чтобы измерять спектры низкотемпературной фотолюминесценсции, ему приходилось ездить в университет в соседнем городе. В течение целого года, три раза в неделю, будущий лауреат Нобелевской премии садился на скутер, брал с собой нужные образцы и ехал снимать спектры. Дорога туда-обратно занимала около двух часов. Но потраченное время не прошло даром, и в 1993 году в мире появляется первый серийный синий светодиод.

После появления синего светодиода у нас появились цветные дисплеи: вместе с красным и зеленым синий создает полную палитру цветов. А с развитием технологии, благодаря которой стало возможно изготовление мощных светодиодов синего или ультрафиолетового света, у нас появились популярные нынче энергосберегающие лампочки.

Почему светодиод синий, а лампа светит белым светом? Тут все дело в слое специального вещества – люминофора, которым покрыта лампа. Люминофор может поглощать свет одной длины волны, короткой, как у ультрафиолета или синего света, а испускать уже более длинноволновый – тогда получится зеленый, желтый или красный. Избыток же энергии при этом рассеивается в виде тепла. Если наложить все три этих цвета один на другой, то человеческий глаз будет воспринимать его как белый свет. Поэтому синий или невидимый глазу ультрафиолет от светодиода внутри лампы превращается люминофором в приятный белый свет.

Помимо энергоэффективного освещения, технологии на основе нитрида галлия, созданные при участии профессора Амано, используются для создания мощных высокочастотных транзисторов. Другая область, которая представляется профессору перспективной, это разработка технологии очистки воды с помощью светодиодов, излучающих ультрафиолет. Чистая вода, как и доступный дешевый свет, до сих пор, к сожалению, остается большой проблемой для огромного числа людей на Земле. Поэтому технология, в которую мало кто верил сначала, и которая создавалась на личном энтузиазме исследователей, может действительно сделать жизнь людей лучше.