Синий Цвет заменяет Белый: Цвет светодиода Зависит от Полупроводника Цвет светодиода определяется его полупроводником, а не пластиковой оболочкой, которая помогает различать только детали. Первый светодиод с тусклым красным светом появился в 1962 году, за ним последовал зеленый в Monsanto; в течение трех десятилетий эти два цвета доминировали в индикаторах калькуляторов, часов и панелей. Без синего цвета не было бы белого света, который смешивался бы, блокируя широкое применение освещения - от комнатных ламп до экранов телефонов и компьютеров и рекламных щитов.
От тепла к Свету: Почему светодиоды эффективны Лампы накаливания светятся за счет нагрева вольфрамовой нити накала, расходуя большую часть энергии в виде инфракрасного излучения и производя мало видимого света. Светодиоды - это диоды, которые излучают свет непосредственно за счет электронных переходов, что делает освещение намного более эффективным. При прямом смещении они направляют ток в одном направлении и преобразуют электрическую энергию в фотоны вместо тепла.
Легирование, Соединения И Запрещенная Зона, Задающая Цвет В твердых телах близко расположенные энергетические уровни образуют валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной. Легирование создает полупроводники n-типа с электронами-донорами и p-типа с дырками-акцепторами; на их стыке образуется область истощения, а прямое смещение позволяет электронам рекомбинировать с дырками, испуская фотоны. Кремниевая полоса пропускания 1,1 эВ обеспечивает невидимость в инфракрасном диапазоне (что полезно для пультов дистанционного управления), что объясняет, почему сначала появился красный, а затем зеленый цвета, в то время как синий требует большего расстояния и большей энергии.
Неуловимый Голубой Цвет И Гонка за Миллиарды долларов На протяжении десятилетий, начиная с 1960-х годов, крупнейшие производители электроники стремились к созданию синих светодиодов, зная, что это откроет огромный рынок осветительных приборов. Основным требованием был почти идеальный кристалл; дефекты кристаллической решетки задерживают носители и превращают свет в тепло. Несмотря на то, что к 1980 году были потрачены сотни миллионов долларов, поиски подходящего материала так и не увенчались успехом.
Дерзкий Инженер Ставит Маленькую Компанию На Синий Цвет Шуджи Накамура работал в небольшой японской химической компании, которая только начала производить полупроводниковые материалы для красных и зеленых светодиодов в условиях насыщенного рынка. Имея небольшой бюджет, он самостоятельно собрал лабораторное оборудование, и даже взрывы из-за утечек стали обычным делом. После того, как к 1988 году руководство потеряло веру, он предложил “невозможный” синий светодиод; фирма рискнула 500 миллионами иен (около 3 миллионов долларов), что составляло примерно 15% годовой прибыли, чтобы попробовать.
Освоение процесса выращивания кристаллов, Несмотря ни на что Накамура отправился во Флориду, чтобы изучить новый метод газофазного металлоорганического осаждения с использованием нагреваемого реактора, в котором газы образуют кристаллические слои на шаблоне. Находясь вдали от основного аппарата, он потратил десять месяцев на создание собственного и столкнулся с неприятиями со стороны ученых, поскольку его компания запретила ему публиковаться. Он вернулся в 1989 году с заказом на новый реактор и планом получить ученую степень, опубликовав пять научных работ.
Выбор в пользу GaN, А не ZnSe, Несмотря на Подводные камни Исследователи отдали предпочтение селениду цинка, потому что его кристаллическая решетка почти соответствовала решетке арсенида галлия (несоответствие составляло около 1%), при этом количество дефектов составляло примерно тысячу на квадратный сантиметр, но они все равно не смогли создать надежный материал p‑типа. Нитрид галлия на 16% не соответствовал сапфиру и относился только к n‑типу, а для практических устройств требовалось примерно тысячекратное увеличение мощности по сравнению с существующими прототипами. Накамура выбрал GaN, чтобы избежать переполненного поля ZnSe, вдохновленный крошечным тусклым синим светодиодом GaN, показанным в 1972 году, который подтвердил концепцию.
Изобретение газофазного роста и крекинга высококачественного GaN Исаму Акасаки и Хироси Амано улучшили качество GaN, внедрив буферный слой из нитрида алюминия, но это повредило реакторы и ограничило масштаб производства. После нескольких месяцев неудач Накамура перестроил свою систему в двухпоточный реактор с встречными газовыми потоками, которые оставались ламинарными, что позволило получить GaN с подвижностью электронов в четыре раза большей, чем у GaN, выращенного на сапфире. Самый первый слой GaN служил собственным буфером, обеспечивающим более чистый и стабильный рост кристаллов.
Приказы Остановиться, Решение Проигнорировать Их Когда появились результаты, директор компании, поддерживавший проект, был заменен на более строгое руководство, а крупный заказчик, возглавляемый им, публично отверг будущее GaN. Накамура получил письменный приказ немедленно остановить проект. Он проигнорировал директивы, даже опубликовав без разрешения проект о двухпоточном реакторе.
Активация GaN P‑Типа Теплом, А Не Электронами Акасаки и Амано получили GaN p‑типа, легировав его магнием и подвергнув воздействию электронного пучка, но этот процесс был медленным и вызывал недоумение. Вместо этого Накамура отжег GaN, легированный Mg, при температуре около 400°C, быстро активировав его по всему кристаллу; водород из аммиака запечатал необходимые участки, и тепло освободило их. Его семинар 1992 года вызвал бурю оваций, но устройство по‑прежнему работало сине-фиолетово и слабо - около 42 единиц мощности.
Квантовые ямы: Активные слои InGaN и барьеры AlGaN Чтобы повысить эффективность и настроить цвет, он добавил тонкий активный слой, который слегка сужает запрещенную зону, так что больше электронов падает и излучает свет. Было известно, что нитрид индия-галлия помогает, но считалось, что он не смешивается с GaN; адаптировав свой реактор, Накамура получил чистый GaN и сразу же создал устройства. После первоначальной гиперактивности он добавил барьеры из нитрида алюминия и галлия с большим зазором, чтобы удерживать электроны в активной области.
Настоящий Синий светодиод с Длиной волны 450 Нм Меняет Все К 1992 году у него был яркий, видимый при дневном свете синий светодиод длиной волны 450 нм, обеспечивающий около 1500 единиц мощности, что более чем в сто раз ярче, чем более ранние псевдосиние светодиоды. Компания представила его в Токио, ошеломив индустрию, и увеличила производство до миллиона синих светодиодов в месяц, а прибыль за три года удвоилась. В 1996 году желтый люминофор заменил синий на белые светодиоды, а затем и на полноценные светодиодные лампы; в течение четырех лет продажи снова удвоились, и к 2001 году прибыль приблизилась к 700 миллионам долларов, в основном за счет синих светодиодов.
Удача Для Компании, Скудное Вознаграждение Для Изобретателя В то время как фирма заработала сотни миллионов на синих светодиодах, повышение Накамуры было скромным, а его бонус составлял всего 170 долларов. В 2000 году он уехал в Соединенные Штаты; компания подала в суд из-за коммерческой тайны, он подал встречный иск о справедливом вознаграждении и после апелляции получил около 8 миллионов долларов, большая часть которых ушла на судебные издержки. Позже он разделил Нобелевскую премию по физике за 2014 год за синий светодиод, публично поблагодарил компанию и предложил примирение, а к 1994 году уже получил техническое образование и опубликовал более пятнадцати работ; в детстве, проведенном на берегу моря, синий стал его любимым цветом.
Светодиоды Преобразуют Освещение; Микро-Светодиоды И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ Излучение Указывают На Опережение У светодиодного освещения практически нет практических недостатков: оно намного эффективнее ламп накаливания и люминесцентных ламп, служит дольше, безопаснее и может быть настроено на пятьдесят оттенков белого; в то время как синий свет от экранов может нарушать циркадные ритмы, общее светодиодное освещение остается мягким. Если раньше светодиоды составляли всего около 1% от общего объема домашнего освещения, то к 2022 году их использование превысило половину домохозяйств; на долю освещения приходится 5% выбросов CO2 в мире, а полное переключение может сократить потребление 1,4 миллиарда тонн — примерно как убрать половину автомобилей с дорог. В настоящее время Накамура разрабатывает микроледы для AR/VR и ультрафиолетовые светодиоды для быстрой стерилизации, стремясь повысить эффективность ультрафиолетового излучения AlGaN с менее чем 10% до более чем 50%; он даже основал компанию, занимающуюся ядерным синтезом.