Для создания всей гаммы цветов достаточно иметь лишь 3 основных: красный, зелёный и синий (RGB). Важным событием в микроэлектронике стало изобретение синего светодиода, который в отличие от своих предшественников отличался достаточно высокой мощностью, а следовательно мог выпускаться уже в промышленных объёмах.
Первый синий светодиод был создан в 1971 году в американской компании RCA (Radio Corporation of America), однако его характеристики в плане мощности и стоимости не удовлетворяли требованиям промышленников, и саму программу по их созданию в итоге признали нерентабельной. К созданию синего светодиода подключалась и небезызвестная IBM (первый компьютер), однако их усилия тоже пошли прахом. Аналогичная ситуация была и у Sony. На территории СССР в малых промышленных масштабах синие светодиоды выпускались в 1980-х годах, но всё равно их характеристики оставались крайне низкими. И только в 1995 году японский инженер Сюдзи Накамура смог получить то, над чем бились величайшие умы человечества на протяжении 30 лет! При этом у него не было учёного звания! Шесть лет Накамура без выходных (за исключением Нового Года) работал в лаборатории компании Nichia Chemical Industries, при этом почти каждую неделю в ней что-нибудь взрывалось и выходило из строя. У него окончательно испортились отношения с новым руководством компании, уже никто не верил в его успех, но он сделал невозможное! Его труд был по достоинству оценён международным научным сообществом. В 2014 году Накамура стал лауреатом Нобелевской премии по физике за многолетнюю научную работу в полупроводниковой отрасли.
В чём же особенность синего полупроводника? Почему его создание было настолько сложным? Нужно выделить три основных причины: большая ширина запрещённой зоны (2,7эВ), высокая чувствительность к дефектам кристаллической решётки полупроводника, а также сложность в создании полупроводника p-типа.
Дальше пойдёт обширный кусок теории. Его можно пропустить, просто он поможет немного сориентироваться в дальнейшей истории.
Согласно зонной теории, в основном состоянии атомы полупроводника вместе с электронами находятся в валентной зоне. Возбуждённые валентные электроны (электроны, находящиеся на внешнем, а иногда и на предвнешнем энергетическом уровне и участвующие в образовании химических связей) переходят в зону проводимости, преодолевая запрещённую зону. Ту минимальную энергию, которую нужно затратить для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, называют шириной запрещённой зоны. Она может быть рассчитана квантовомеханическими методами.
Важнейшим понятием в полупроводниках является p-n переход. Дело в том, что чистый полупроводник практически не проводит электрический ток, т.к. у него нету лишних электронов. Рассмотрим данную ситуацию на примере кремния. У кремния 4 валентных электрона, с помощью них атом связывается с 4 соседями-атомами. Все электроны при делах, лишних лентяев нету) Но если мы добавим примеси, к примеру атомы третьей группы таблицы Менделеева, в частности бора, то часть атомов кремния в кристаллической решётке заменятся атомами бора, у которых три валентных электрона. Это будет создавать ситуацию, когда в решётке появятся вакантные места с положительным зарядом, которые в науке называются дырками) Если добавить примеси пятой группы, например азота, то будут создаваться места с избыточным отрицательным зарядом. При этом в полупроводнике тока нет! Полупроводники с дырочной проводимостью называются полупроводниками p-типа (positive), полупроводники с электронной проводимостью - n-типа (negative). При подаче напряжения и контакте полупроводников p и n-типа и происходит односторонний p-n переход (из-за создания запирающего слоя), и начинает течь ток.
Всё, теория закончилась) Переходим к истории. В конце 1980-х годов рассматривались 2 основных материала для изготовления синего светодиода: селенид цинка ZnSe и нитрид галлия GaN. Львиная доля диссертаций была связана с ZnSe. Он обладал целым рядом достоинств: относительно малое количество дефектов в кристаллической решётке, более-менее подходящая ширина запрещённой зоны, возможность создать полупроводник как p, так и n-типа для p-n перехода. GaN такими показателями похвастаться не мог: дефектов в решётке было в тысячи раз больше, чем у ZnSe, кроме того возникли трудности с созданием-полупроводника p-типа на его основе. Повторюсь, в плане диссертаций соотношение было явно на стороне ZnSe, примерно 100 к 1.
Как вы думаете, каким путём пошёл Накамура? Правильно, нашим сусанинским) Несмотря на уникальные свойства селенида цинка, он практически не нашёл применения в микроэлектронике, и впоследствии оказался совершенно непригоден для производства синих светодиодов. Накамура смог усовершенствовать метод MO CVD (метод парофазного осаждения), тем самым резко уменьшив число дефектов в кристаллической решётке. Совместно с Исаму Акасаки и Хироси Амано была решена проблема и с созданием полупроводника p-типа на базе GaN. Важную роль в этом сыграла его термическая обработка. При повышении температуры электропроводность полупроводников достаточно быстро возрастает, вплоть до 5-6% на 1°C! И даже запрещённая зона оказалась Накамуре по плечу. Более того, он впервые сделал светодиод с высоким показателем мощности, что было очень важно для рентабельного промышленного производства. Так человек без учёного звания упорно шёл к своей цели и достиг её!
Теперь светодиоды стали применяться повсеместно. Светодиодная подсветка захватила мир, как и сине-фиолетовые светодиоды для искусственного освещения растений.
Отношения руководства компании Nichia Chemical Industries и Накамуры становились всё более напряжёнными, несмотря на то, что за пять лет благодаря стараниям учёного прибыль нового гиганта в производстве светодиодов увеличилась в 4 раза! Талантливый учёный и Nichia ещё долго судились, оспаривая права авторства друг у друга, в итоге Накамура получил компенсацию в 9млн долларов, покрывшая только его судебные издержки) Сейчас Накамура работает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
22 мая Сюдзи Никамуре исполнится 70 лет. Пожелаем учёному дальнейших открытий, талантливых аспирантов, ну и конечно крепкого здоровья!
