Японско-советский «Нобель»

Профессор МГУ рассказал об украинских и российских следах нынешнего «Нобеля» по физике

Александр Юнович 07.10.2014, 19:55
Wikimedia Commons

Профессор МГУ Александр Юнович вспоминает, как усилия советских и японских ученых привели к появлению светодиодов, имеющихся теперь в каждом мобильнике, за которые сегодня была вручена Нобелевская премия по физике.

В 1907 году Генри Раунд, ассистент Маркони, впервые увидел свечение кристалла карборунда (карбида кремния) при протекании тока через точечный контакт с металлом. Но явление, которое возникает в контакте металл — полупроводник, подробно исследовал наш советский ученый Олег Лосев в 20-е годы в нижегородской радиолаборатории.

Мало того — Лосев сказал,

что на этой основе можно устроить безынерционный источник света и быструю передачу сигналов на расстоянии, то есть фактически предсказал рождение оптоэлектроники.

На свое изобретение он получил патент. Он получил признание, получил степень кандидата наук в Ленинграде без написания диссертации. Поэтому изобретение светодиода следует приписать Олегу Лосеву. Тот диод был сделан на основе карборунда, но современные светодиоды, у которых велик коэффициент преобразования электрической энергии в световую, были созданы на основе соединений типа AIIIBV. В этом направлении очень важный шаг сделал профессор Ник Холоньяк из Иллинойского университета. Коля Голоньяк из семьи украинских эмигрантов начала прошлого века —

он впервые сделал видимые светодиоды красного света на основе этих элементов.

У Лосева же было голубое и желтовато-зеленое свечение, но от карбида кремния — он не обладал таким электронным спектром, который обеспечивает большую вероятность излучения.
После Холоньяка аналогичные работы были продолжены в СССР в группе Жореса Алферова, которая впервые создала структуры с гетеропереходами,

в которых вероятность излучательной рекомбинации может достичь 99,7%.

А я имел честь быть официальным оппонентом по кандидатской диссертации из группы Алферова. Это была середина — конец 1960 годов. Тогда были созданы яркие красные светодиоды, не очень яркие желто-зеленые на основе фосфида галлия, а вот голубые, синие и фиолетовые ни у кого не получались. Первые опыты с наблюдением синего света из нитрида галлия были сделаны профессором Жаком Панковым (Яковом Исаевичем Панчечниковым),

сотрудником IBM, который был, кстати, родом из Чернигова.

Сейчас он на пенсии, работает в Университете штата Колорадо. Но сделать хороший p-n-переход, а не контакт металл — полупроводник ему не удалось. А вот эффективные p-n-переходы, в которых возникала бы инжекция электронов и дырок, впервые были сделаны японскими учеными Исаму Акасаки и Хироши Амано. Акасаки в конце 1980-х был профессором, Амано — его способным аспирантом. И когда эти японцы в Университете Нагоя сделали хороший p-n-переход, показали, что в нем может быть яркое голубое свечение, этим заинтересовались в фирме Nichia Chemicals — поставщике чуть ли не четверти всех люминофоров для электронно-лучевых трубок во всем мире.

Их интересовало ультрафиолетовое возбуждение люминофоров, поэтому они занялись диодами, про которые написали Акасаки и Амано. И молодой инженер Шуджи Накамура был командирован в Америку, где он освоил выращивание структур на основе нитрида галлия. Он привез установку к себе в Nichia Chemicals, усовершенствовал, применил все идеи гетеропереходов, которые были разработаны, начиная еще с Алферова, который получил за это «Нобеля», и сделал на новых материалах новые гетероструктуры. В этих структурах он и получил сверхъяркие голубые светодиоды.

Накамура сделал не только первые светодиоды на основе нитрида галлия, он сделал инжекционные лазеры на длине волны 405 нм — то есть на границе ультрафиолетового и фиолетового света. А в декабре 1995 года, когда стало ясно, что работа Накамуры представляют огромный интерес, он приехал в США и делал доклад, и я был на этом докладе. Там Жак Панков представил меня Накамуре, и я сказал, что, если он пришлет нам свои светодиоды, я буду рассказывать студентам МГУ про его изобретения.

Уже в январе он написал нам, что послал 10 светодиодов, и с февраля мы начали упорные исследования гетероструктур на основе GaN. В марте того же года Nichia вышла на рынок с синими и голубыми светодиодами и белыми, в которых на синий светодиод наносился желто-зеленый люминофор, и сумма всех излучений давала белый свет.

Исследования белых светодиодов тут же были подхвачены европейскими лабораториями, и наша первая работа с Накамурой была опубликована во французском журнале.

Потом в борьбу включились ведущие американские фирмы — все почувствовали, что это чрезвычайно перспективная область.

В борьбу включились такие гиганты, как Hewlett-Packard, General Electric и Phillips.

А в США возникла фирма CREE Research, в которой немаловажную роль сыграл сотрудник ленинградского физико-технического института Владимир Дмитриев, и они создали свою технологию создания светодиодов. В Японии же была организована фирма Toyoda Gosei, они были чрезвычайно заинтересованы в производстве светодиодной техники для автомобилей. Поскольку Исаму Акасаки был связан с фирмой Toyota, он передал им свои патенты. Мы получали и из США, и от немцев образцы для исследований, но как только стало ясно, что это промышленность с большими экономическими возможностями, все иностранные коллеги перестали нам их посылать. И главная наша работа была сделана с московскими и ленинградскими фирмами — НИИ «Сапфир» и фрязинский завод «ПЛАТАН».

Лишь на заводе «Светлана-оптоэлектроника» были куплены две установки для высокотехнологичного производства, в 2005–2009 годах там существенно продвинулись в технологии, но за это время в десятки и сотни раз большие средства были вложены в светодиодную промышленность как в Европе, так и в Китае и Корее.

И когда наши проснулись и стали прислушиваться, что говорит научная общественность, конкурировать с китайцами было уже поздно.

Сейчас в России есть около 1000 фирм, которые пытаются войти в светотехническое производство на основе дешевых китайских или тайваньских светодиодов. Как только появились успехи у фирмы Nichia, американцы сделали все, чтобы перекупить Шуджи Накамуру, и сейчас он уже лет десять, как профессор Университета Санта-Барбары. Но надо сказать, что иметь американскую поддержку — один из главных шагов, чтобы получить «Нобеля».