Экран, на котором вы сейчас читаете этот текст, скорее всего освещается белыми светодиодами. Энергосберегающая лампа в вашей комнате, экраны-билборды на главной улице города, фары вашего автомобиля… Светодиодная технология изменила этот мир. Точнее, мир изменила технология синего светодиода, который еще в конце прошлого века представлялся чем-то почти недостижимым. Это история об изобретении, стоящем миллиарды, и изобретателе, который получил за патент всего $170.
Всем нам знакома лампочка — универсальный символ пришедшей в голову идеи. Разработанная в середине XIX в. лампа накаливания заменила собой свечи, ярким светом залила улицы городов мира. Эта технология на самом деле… крайне неэффективная. Работает такая лампа следующим образом: через вольфрамовую нить внутри запаянной колбы проходит электрический ток, нагревая ее до такой степени, что она начинает светиться. Только малая часть потраченной энергии действительно дает свет, остальной ток уходит в тепло.
В светодиоде же бóльшая часть энергии электричества направлена именно на создание света. В сердце технологии находятся полупроводники, которые начинают обмениваться электронами при воздействии на них тока. Представьте себе два корабля. На одном из них пассажиры — это атомы кремния с примесью атомов фосфора, а на другом — кремний с примесью бора. Из-за особенностей этих химических элементов на одном из кораблей пассажиры носят положительный заряд, а на другом — отрицательный.
Принцип работы светодиода
При подаче тока пассажиры начинают перепрыгивать с корабля на корабль, и подобный переход выделяет фотон, то есть свет, цвет которого определяется расстоянием между «кораблями». Чем оно меньше, тем дальше в инфракрасное излучение уходит свет, чем больше — тем ближе к ультрафиолету мы оказываемся.
Теперь довольно легко понять, почему первые практически применимые светодиоды, которые разработал американец Ник Холоньяк из Иллинойсского университета в Эрбане — Шампейне в 1962 г., имели красный свет свечения. Сделать такой светодиод проще всего, поскольку между материалами-«кораблями», с которых будут перепрыгивать заряды-«пассажиры», расстояние крайне маленькое. Чуть сложнее было создать зеленый светодиод, еще какая-то часть усилий ушла на то, чтобы диоды были яркими, а потом ученые «уперлись в стену» на десятилетия.
Красный, оранжевый, желтый, зеленый — чем дальше по спектру, тем сложнее было заставить заряды «перепрыгивать с корабля на корабль». А ведь синий светодиод должен был стать определяющим для индустрии. Почему? Все просто: объединив красный, зеленый и синий светодиоды, можно получить любой другой цвет, включая белый. Без синего цвета эта технология была бы обречена вечно использоваться разве что в индикаторах.
В 1971 г. американский инженер Жак Панков в лаборатории компании Radio Corporation of America (RCA) получил синее свечение. Но технология была дорогой, а светодиод тусклым и в промышленном смысле совершенно нерентабельным. Зато ученые по всему миру выяснили требование к материалу, без которого синий светодиод был бы невозможен: особая чистота кристалла, без дефектов. Вырастить такой не удавалось никому.
Сюдзи Накамура был исследователем в небольшой японской химической компании Nichia в полупроводниковом подразделении, которое занималось производством материалов для красных и зеленых светодиодов. К концу 1980-х гг. подразделение находилось в упадке, оно конкурировало с гораздо более устоявшимися компаниями на переполненном рынке и проигрывало. Накамура долгое время пытался разрабатывать новые продукты, которые руководство считало пустой тратой денег, но в 1988 г. ему все же удалось убедить президента компании Нобуо Огаву дать ему последний шанс — он рассчитывал создать синий светодиод.
Сюдзи Накамура
Первым шагом Накамуры на пути исследований стала поездка в США. У японца был там товарищ, чья лаборатория начала использовать новую технологию изготовления кристаллов, называемую MOCVD. Реактор MOCVD, по сути гигантская печь, был и остается лучшим способом массового производства чистых кристаллов. Он работает путем впрыскивания молекул пара кристалла в горячую камеру, где они вступают в реакцию с базовым материалом, называемым подложкой, для формирования слоев.
Накамура присоединился к лаборатории на год, чтобы освоить MOCVD. И этот год проходил ужасно. Ему не разрешали использовать работающий реактор, поэтому он провел десять из 12 месяцев, собирая новую систему практически с нуля. Хуже того, товарищи по лаборатории избегали его, потому что у Накамуры не было докторской степени и научных работ, поскольку Nichia не разрешала их публиковать. Его воспринимали как скромного техника. Он вернулся в Японию в 1989 г. с заказом на новый реактор MOCVD для Nichia и горячим желанием получить докторскую степень.
Но первые эксперименты тоже начались с неудач. В качестве кристальной основы для синего светодиода Накамура решил использовать нитрид галлия, по которому на тот момент было мало исследований, — инженер хотел воспользоваться этим, чтобы получить докторскую степень через публикации. Но новый реактор MOCVD не мог вырастить чистый кристалл, и через полгода Накамура, отчаянно желая результатов, решил разобрать машину и самостоятельно построить лучшую версию. Десять месяцев, потраченных на сборку реактора во Флориде, внезапно оказались бесценными.
Он начал следовать одному и тому же распорядку: приходить в лабораторию в 7:00, первую половину дня проводить за сваркой, резкой и перемонтажом реактора, а оставшуюся часть дня — за экспериментами с модифицированным реактором, чтобы увидеть, на что он способен. В 19:00 он шел домой, ужинал, умывался и ложился спать.
После полутора лет непрерывной работы без праздников и выходных он пришел в лабораторию зимним днем 1990 г. Как и всегда, утром он возился с реактором, а днем вырастил образец нитрида галлия и испытал его. На этот раз подвижность электронов была в четыре раза выше, чем у любого нитрида галлия, выращенного до этого где-либо в мире. Это был триумф.
Но дела у Накамуры не стали идти лучше. Пока он был во Флориде, президент компании Нобуо Огава, одобривший его поездку и выделивший деньги, отошел от дел. Генеральным директором компании стал его зять Эдзи Огава, и у него были куда более строгие взгляды. В 1990 г. руководитель Matsushita, производителя светодиодов и крупнейшего клиента Nichia, посетил компанию, чтобы выступить с докладом о синих светодиодах. По его мнению, у нитрида галлия, которым занимался Накамура, не было будущего.
В тот же день Накамура получил записку от Эдзи с требованием немедленно прекратить работу над нитридом галлия. Эдзи никогда не поддерживал эти исследования и хотел положить конец тому, что он считал колоссальной тратой. Но Накамура скомкал записку и выбросил ее. Затем следующую. И следующую. И опять, и опять, и опять.
День за днем Накамура решал технологические проблемы производства синего светодиода и к 1992 г. смог создать свой первый прототип. На семинаре в Сент-Луисе, где он его представил, Накамуре аплодировали стоя. Светодиод был тусклым, но еще через полгода и эту проблему удалось решить. «Пожалуйста, председатель, зайдите ко мне в кабинет». Накамура показал тому работающий и яркий синий светодиод. «О, это же здорово, да?» Ученый был счастлив.
Nichia созвала пресс-конференцию в Токио, чтобы объявить о первом в мире настоящем синем светодиоде. Электронная промышленность была ошеломлена. Эффект для состояния Nichia был мгновенным и взрывным. Заказы хлынули потоком, и к концу 1994 г. они производили 1 млн синих светодиодов в месяц. К 2001 г. их доход приближался к $700 млн в год. Более 60% приходилось на продукцию с синими светодиодами.
Что до Сюдзи Накамуры, которому Nichia и была обязана увеличением своего состояния в четыре раза, то он получил бонус к зарплате в $170 за патент. Эдзи Огава всегда считал упрямую индивидуальность Накамуры помехой, а не преимуществом, и в 2000 г. после 20 лет работы в Nichia Накамура покинул компанию и переехал в США, где предложения о работе сыпались одно за другим.
И даже там его проблемы с Nichia не закончились. Он начал консультировать другую компанию по производству светодиодов, и Nichia, узнав об этом, подала на него в суд за разглашение секретов компании. Накамура ответил встречным иском к Nichia за то, что она так и не выплатила ему надлежащую компенсацию за его изобретение, потребовав $20 млн. В 2001 г. японские суды вынесли решение в пользу Накамуры и обязали Nichia выплатить ему в десять раз больше первоначального запроса. Но после апелляции дело было урегулировано выплатой в размере $8 млн. В конце концов этого хватило только на покрытие судебных издержек Накамуры. Впрочем, он все равно получил свою компенсацию в виде Нобелевской премии.
По сравнению с лампами накаливания или люминесцентными лампами светодиодные лампы намного эффективнее. Они служат во много раз дольше, безопаснее в обращении и полностью настраиваемы. В 2010 г. только 1% от продаж бытового освещения в мире приходился на светодиоды. В 2022 г. их было уже больше половины. Полный переход на светодиоды может сократить выброс CO₂ примерно на 1,4 млрд т, что эквивалентно удалению с дорог почти половины автомобилей в мире. И все это благодаря ученым.
Источник изображения в тексте: 123RF