Нобелевская премия по физике 2014 года за изобретение ярких синих светодиодов, которые обеспечили создание светодиодов белого свечения для освещения, была присуждена японским ученым И. Акасаки, Х. Амано и Ш. Накамуре (рис. 1). Работа лауреатов с одной стороны, посвящена решению фундаментальных задач о квантовых структурах малой размерности в твердых телах, конкретно — в структурах на основе нитрида галлия, GaN, а с другой стороны, она является основой революции в прикладной проблеме создания освещения будущего и экономии электроэнергии в освещении [1].

Рис. 1. Нобелевские лауреаты по физике 2014 года (слева направо): И.Акасаки, Х. Амано, Ш. Накамура, — на церемонии вручения Нобелевских премий в Стокгольме

Поучительна история работ, которые привели к этим изобретениям. Хотя впервые свечение в контакте металл- полупроводник наблюдал в Америке Генри Раунд в 1907 г., изобретателем светодиода следует считать замечательного советского ученого О. В. Лосева. Он в 20-х гг. прошлого века подробно исследовал это свечение и получил патент на «световое реле» «для быстрой телеграфной и телефонной связи, для передачи изображений на расстоянии» и назвал возможный прибор «безынертным источником света». Это, по существу, было предсказанием современной оптоэлектроники. В начале 60-х гг. Ник Холоньяк в США создал первые светодиоды видимого света на основе полупроводниковых соединений типа АIIIВV: «…Весьма возможно создание лазера как практически применимого источника света … Пройдет десять или более лет, прежде чем такая лампа будет готова к широкому применению …». Академик Ж. И. Алферов и его группа в ФТИ им. А. Ф. Иоффе в 60-е гг. показали, что в гетероструктурах на основе арсенида галлия (GaAs/AlxGa1-xAs) внутренний квантовый выход излучения достигает 99.7%. Работы Ж. И. Алферова были удостоены Нобелевской премии 2000 года.

Массовое производство светодиодов и их промышленное применение началось уже в середине 60-х годов. На основе гетероструктур типа АIIIВV во второй половине 60-х гг. были разработаны эффективные светодиоды красного, желтого и желтовато-зеленого свечения. Но в течение 30 лет не удавалось создать яркие синие светодиоды.

Ж. Панков с сотрудниками в фирме RCA впервые наблюдал синее свечение нитрида галлия, GaN, в диодах типа металл-диэлектрик-полупроводник n-типа, — но не удавалось создать GaN р-типа проводимости и сделать p-n-переход.

В Московском Университете группа Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева в начале 80-х гг. исследовала катодолюминесценцию GaN, легированного акцепторами Zn (пленки были выращены в Зеленограде и Калуге), и обнаружила активацию люминесценции при длительном сфокусированном действии электронного пучка в растровом электронном микроскопе. Было написано: «Процесс активации люминесценции GaN … соответствует процессу взаимодействия электронного пучка с акцепторной примесью, …заполнению акцепторных уровней дырками…». [Сапарин Г. В, Чукичев М. В. и др. // Бюлл. МГУ. Сер. 3 «Физика и Астрономия». 1983. т. 24. №3; 1984. т. 25. №3.] Но эти исследования ограничились доказательством возможности записи оптической информации, см. рис. 2. Они не были продолжены из-за ограничений в финансировании.

Прорыв в создании эффективных синих светодиодов был сделан проф. И. Акасаки и его аспирантом Х. Амано в Университете Нагоя в конце 80-х гг. Они усовершенствовали технологию роста слоев GaN методом газовой эпитаксии из металло-органических соединений (МОС-гидридной эпитаксии) и существенно уменьшили плотность дефектов и дислокаций в слоях. Они показали, что сканируя всю поверхность пленки GaN, легированной примесью магния, Mg, можно активировать акцепторы Mg, получить р-слой с большой концентрацией дырок и сделать эффективный p-n-переход в GaN.

Рис. 2. Надпись, сделанная электронным пучком на пленке GaN:Zn в работах Г. В. Сапарина, М. В. Чукичева и др.

В диодах с такими p-n-переходами они получили эффективную синюю электролюминесценцию.

Следующий прорыв в технологии был сделан молодым инженером Шуджи Накамура в фирме «Ничия Кемикал» в начале 90-х гг. Он изменил методику МОС-гидридной эпитаксии, направив два тока газов во взаимно-перпендикулярных направлениях. Он предложил активировать акцепторы Mg прогревом пленок GaN:Mg в атмосфере азота, N2. Его группа вырастила гетероструктуры InGaN/AlGaN/GaN с p-n-переходами. Так были сделаны первые промышленные синие светодиоды. Фирма «Ничия Кемикал» была производителм люминофоров для электронно-лучевых трубок. Покрыв синие светодиоды желто-зеленым люминофором, Ш. Накамура сделал светодиоды белого свечения. Позже Ш. Накамура стал профессором Университета Санта-Барбара в США. Ведущие полупроводниковые лаборатории и фирмы во всем мире включились в гонку исследований и разработок светодиодов на основе GaN.

О работах по исследованию светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN на физическом факультете МГУ было рассказано в докладах на Ученом Совете факультета в октябре 2014 г. и на юбилейных Ломоносовских чтениях в январе 2015 г. [2].

Исследования и разработки во всем мире, международная научная кооперация, поддержка правительств ряда стран создали новую светодиодную промышленность. Белые светодиоды стали за прошедшие два десятилетия основой освещения будущего. Миллионы людей уже сейчас используют светодиодное освещение. Это дает громадную экономию электроэнергии и улучшает экологию.

На рис. 3 показано, как изменялась, начиная с 1940 года, световая отдача (эффективность с учетом чувствительности зрения, размерность — [лм/Вт]) разных источников света — ламп накаливания и люминесцентных ламп. В правой части рисунка показана световая отдача светодиодов белого свечения, начиная с 2002 года, когда она достигла световой отдачи ламп накаливания. Показаны предсказания о ней до 2020 года, сделанные фирмой «Navigant Consulting» в 2009 году. Уже в 2010 году световая отдача белых светодиодов превысила 100 лм/Вт, то есть стала конкурентно способной с люминесцентными лампами, а в 2013 г. предсказания были превышены вдвое, ?Ф=210 лм/Вт (красная точка на рис. 2). В марте 2014 г. американская фирма «Cree» сообщила о рекордной световой отдаче белых светодиодов: ?Ф=303 лм/Вт!

Рис. 3. Световая отдача разных источников света в зависимости отвремени и предсказания об увеличении световой отдачи белых светодиодов. Красная точка наверху — световая отдача белых светодиодовв2011г.

Можно много рассказать о преимуществах светодиодного освещения, перспективах его развития и его экономических выгодах, проблемах новой светотехники. Потребление электроэнергии на освещение в России составляет ~140 млрд. кВт•час/год, из них большую часть потребляют лампы накаливания; стоимость электроэнергии составляет 4.5 руб./кВт•час. Если к 2016–17 гг. лишь половина этой энергии будет сэкономлена за счет применения светодиодов, то это даст экономию более 300 млрд. руб./год.

Ограничимся примером применения светодиодного освещения в метро, которое необходимо весь рабочий день. На рис. 4 показано освещение новой станции «Тропарево» в Москве. Светильники со светодиодами направляют излучение вверх на белые отражатели; так создается более равномерное освещение вестибюля и предотвращается прямое попадание света в глаза пассажиров. Дополнительно свет отражается зеркальными участками поверхности стен и пола. Линия ограничения у платформы обозначена светодиодными точками.

Рис. 4. Светодиодное освещение станции метро «Тропарево»

[1] А. Н. Туркин, А. Э. Юнович. Лауреаты Нобелевской премии 2014 года. Природа, 2015, №1, стр. 75–81.

[2] А. Э. Юнович. Полупроводниковые светодиоды: проблемы исследований, перспективы применений. Ломоносовские чтения–2015 (сборник тезисов докладов), стр. 44–53.

[3] А. Н. Туркин, А. Э. Юнович. Свет настоящего и будущего. Наука и жизнь, №4 за 2015 год, 52–63.

профессор А. Э. Юнович