Да будет светодиод!

Голубые светодиоды. Фото: «Википедия»

Голу­бые све­то­ди­о­ды. Фото: «Вики­пе­дия»

Пре­мия 2014 года по физи­ке при­суж­де­на «за изоб­ре­те­ние эффек­тив­ных голу­бых све­то­из­лу­ча­ю­щих дио­дов, поз­во­лив­шее создать яркие и эко­но­мич­ные источ­ни­ки бело­го све­та» [1]. Пре­мии удо­сто­и­лись япон­ские физи­ки Иса­му Ака­са­ки (Isamu Akasaki) и Хиро­си Ама­но (Hiroshi Amano) из Нагой­ско­го уни­вер­си­те­та, а так­же Сюд­зи Нака­му­ра (Shuji Nakamura), кото­рый после ухо­да из част­ной фир­мы не смог най­ти рабо­ту в япон­ской уни­вер­си­тет­ской систе­ме и вот уже 15 лет про­фес­сор­ству­ет в Кали­фор­ний­ском уни­вер­си­те­те в Сан­та-Бар­ба­ре.

Све­то­из­лу­ча­ю­щие дио­ды, или про­сто све­то­ди­о­ды, — это полу­про­вод­ни­ко­вые устрой­ства, пре­об­ра­зу­ю­щие энер­гию элек­три­че­ско­го тока в све­то­вое излу­че­ние. Этот эффект назы­ва­ет­ся элек­тро­лю­ми­нес­цен­ци­ей. В 1907 году его впер­вые наблю­дал в экс­пе­ри­мен­тах с про­хож­де­ни­ем тока через кри­сталл кар­би­да крем­ния асси­стент Гульель­мо Мар­ко­ни и сам впо­след­ствии круп­ный изоб­ре­та­тель-радио­тех­ник Ген­ри Джо­зеф Раунд (Henry Joseph Round), а спу­стя шест­на­дцать лет неза­ви­си­мо переот­крыл сотруд­ник Ниже­го­род­ской радио­ла­бо­ра­то­рии Олег Лосев, кото­рый, как сей­час ясно, подо­шел вплот­ную к изоб­ре­те­нию све­то­ди­о­да (см. ста­тью N. Zheludev, 2007. The life and times of the LED — a 100-year history [2]).

Рабо­та све­то­из­лу­ча­ю­щих дио­дов обу­слов­ле­на про­цес­са­ми в зоне кон­так­та полу­про­вод­ни­ков с дыроч­ной и элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью — это так назы­ва­е­мые p-n-пере­хо­ды, откры­тые в 1939 году аме­ри­кан­ским инже­не­ром Рас­се­лом Олом (Russell Ohl). На p-n-пере­хо­де воз­ни­ка­ет элек­три­че­ское поле, кото­рое созда­ет потен­ци­аль­ный барьер, пре­пят­ству­ю­щий пере­те­ка­нию элек­тро­нов в область с дыроч­ной про­во­ди­мо­стью, а дырок — в элек­трон­ную. При нало­же­нии внеш­не­го поля со зна­ком минус на элек­трон­ной обла­сти высо­та барье­ра сни­жа­ет­ся, поэто­му элек­тро­ны и дыр­ки начи­на­ют мигри­ро­вать сквозь пере­ход навстре­чу друг дру­гу. Через мил­ли­он­ные доли секун­ды (или еще быст­рее) они реком­би­ни­ру­ют, излу­чая кван­ты све­та. Спек­траль­ный состав излу­че­ния опре­де­ля­ет­ся типом полу­про­вод­ни­ка. Све­то­ди­о­ды на осно­ве арсе­ни­да гал­лия гене­ри­ру­ют инфра­крас­ное и крас­ное излу­че­ние, фос­фи­да гал­лия — жел­тое и зеле­ное. При­бо­ры на базе нит­ри­да гал­лия дают голу­бое, синее и уль­тра­фи­о­ле­то­вое излу­че­ние. Пер­вый в мире крас­ный све­то­ди­од изоб­рел аме­ри­кан­ский физик Ник Холо­ньяк еще в 1962 году, одна­ко голу­бые све­то­ди­о­ды появи­лись толь­ко спу­стя три деся­ти­ле­тия.

В полу­про­вод­ни­ки для созда­ния участ­ков с раз­лич­ны­ми типа­ми про­во­ди­мо­сти вво­дят спе­ци­аль­ные добав­ки. Так, для полу­че­ния элек­трон­ной про­во­ди­мо­сти нит­рид гал­лия мож­но леги­ро­вать крем­ни­ем, а для полу­че­ния дыроч­ной — маг­ни­ем. Для созда­ния эффек­тив­ных све­то­ди­о­дов необ­хо­ди­мо выра­щи­вать без­де­фект­ные кри­стал­лы базис­но­го полу­про­вод­ни­ка, а затем леги­ро­вать их нуж­ны­ми добав­ка­ми и в нуж­ных про­пор­ци­ях. Для нит­ри­да гал­лия это весь­ма слож­но, поэто­му тех­но­ло­гии про­из­вод­ства све­то­ди­о­дов на его осно­ве появи­лись доволь­но позд­но. Иса­му Ака­са­ки начал рабо­тать с этим веще­ством в 1974 году. К сере­дине 1980-х годов он, Хиро­си Ама­но и их кол­ле­ги раз­ра­бо­та­ли недо­ро­гой спо­соб полу­че­ния кри­стал­лов нит­ри­да гал­лия с высо­ки­ми опти­че­ски­ми каче­ства­ми. Для это­го они вос­поль­зо­ва­лись мето­дом оса­жде­ния веще­ства на под­лож­ку из паро­га­зо­вой фазы, создан­ным в пер­вой поло­вине 1970-х. Сход­ную мето­ди­ку позд­нее изоб­рел и Нака­му­ра, рабо­тав­ший тогда в япон­ской ком­па­нии Nichia Chemical Industries. К нача­лу 1990-х годов груп­пы Ака­са­ки и Нака­му­ры раз­ра­бо­та­ли тех­но­ло­гии полу­че­ния спла­вов нит­ри­да гал­лия с алю­ми­ни­ем или инди­ем и при­ме­ни­ли их для полу­че­ния «санд­ви­чей» из несколь­ких полу­про­вод­ни­ков с раз­ны­ми типа­ми про­во­ди­мо­сти (так назы­ва­е­мых полу­про­вод­ни­ко­вых гете­ро­струк­тур). Имен­но на базе гете­ро­струк­тур обе груп­пы в пер­вой поло­вине 1990-х созда­ли голу­бые све­то­ди­о­ды, кото­рые осво­и­ла полу­про­вод­ни­ко­вая инду­стрия.

Устрой­ства на голу­бых све­то­ди­о­дах рас­про­стра­не­ны очень широ­ко. Их вме­сте с дио­да­ми, даю­щи­ми дру­гие цве­та, исполь­зу­ют в пол­но­цвет­ных дис­пле­ях и осве­ти­тель­ных при­бо­рах. Голу­бые све­то­ди­о­ды слу­жат так­же осно­вой све­тиль­ни­ков ино­го типа — они воз­буж­да­ют сво­им излу­че­ни­ем моле­ку­лы фос­фор­ных соеди­не­ний, а те испус­ка­ют крас­ные и зеле­ные фото­ны, кото­рые сме­ши­ва­ют­ся с голу­бы­ми и дают белый свет. Такие све­тиль­ни­ки обес­пе­чи­ва­ют све­то­вой поток до 300 люме­нов на ватт элек­три­че­ской мощ­но­сти (для ламп нака­ли­ва­ния этот пока­за­тель в луч­шем слу­чае состав­ля­ет 16– 17 лм/​Вт), а их КПД может пре­вы­шать 50%. В про­из­вод­стве они доро­же лам­по­чек с воль­фра­мо­вы­ми нитя­ми и газо­свет­ных ламп, но их сто­и­мость быст­ро пада­ет, а доступ­ность рас­тет. Поэто­му рабо­ты новых нобе­лев­ских лау­ре­а­тов пред­став­ля­ют собой не толь­ко круп­ное науч­но-тех­но­ло­ги­че­ское дости­же­ние, но и реаль­ный инстру­мент гло­баль­ной эко­но­мии энер­гии. Сей­час на осве­ще­ние тра­тит­ся 20% миро­вых элек­три­че­ских мощ­но­стей, одна­ко мас­со­вое при­ме­не­ние све­то­ди­о­дов может умень­шить эту долю до 4% [3].

1. nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/

2. orc.soton.ac.uk/fileadmin/downloads/100_years_of_optoelectronics__2_.pdf

3. Пол­но­стью ста­тью Алек­сея Леви­на см. на сай­те «Элементы.Ру» — http://elementy.ru/news?newsid=432340

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *