2014 ГОШ
По физике — И.Акасаки, Х.Амано, С.Накамура
Нобелевская премия по физике 2014 года присуждена профессорам Исаму Акасаки и Хироси Амано из Университета г.Нагоя (Япония), а также профессору Сюдзи Накамура из Университета Калифорнии (США) за создание ярких синих светодиодов (СД) и, на их основе, СД белого свечения [1 — 3]. Решая фундаментальные задачи о квантовых структурах малой размерности в твердых телах, лауреаты дали старт революции в прикладной проблеме освещения, которая приведет к значительной экономии электроэнергии. Присуждение премии в данном случае показывает, что нет жесткой границы между фундаментальной и прикладной наукой, они действуют вместе как единое целое.
Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) родился в 1929 г. в г.Тиран (Япония), в 1952 г. окончил Научную школу Университета Киото и начал карьеру в про-
мышленности, а с 1959 г. занялся исследовательской и преподавательской работой в Университете г.Нагоя (Япония). В 1964 г. получил там докторскую степень и параллельно возглавил лабораторию фундаментальных исследований компании Мацусито. В 1981 г. стал профессором Университета г.Нагоя, а с 1992 г., выйдя на пенсию, — его почетным профессором и профессором Университета Мейдзо (Нагоя, Япония).
Хироси Амано (Hiroshi Amano), родившийся в 1960 г. в г.Хамамацу (Япония), окончил инженерный факультет Университета г.Нагоя в 1983 г., остался там в аспирантуре и защитил диссертацию в 1989 г. С 1992 по 2010 г. работал в Университете Мейдзо, став профессором в 2002 г., а затем вернулся в альма-матер на должность профессора.
Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura), американский гражданин, уроженец японской префектуры
Эхиме (1954). Учился в Университете г.Токусима (выпускник 1979 г.), где в 1994 г. защитил диссертацию по электротехнике. В 1979 г. начал работать в компании «Ничия Кемикал» (Япония), выезжал на стажировку в США, а с 2000 г. получил должность профессора в Калифорнийском университете (Санта-Барбара). Имеет более 200 американских и 300 японских патентов.
И.Акасаки, Х.Амано, С.Накамура совершили прорыв в создании ярких синих и «белых» свето-диодов на основе гетероструктур с квантовыми ямами из нитрида галлия типа InGaN/AlGaN/GaN [4, 5]. Светодиоды представляют собой полупроводниковые приборы — источники света, работа которых базируется на преобразовании электрической энергии в световую [3]. Свет, отвечающий ширине запрещенной зоны, излучается при рекомбинации электронов, возбужденных в зону проводимости, и оставшихся в валентной зоне дырок. В настоящее время излучение СД занимает широкий диапазон длин волн, от инфракрасного до ультрафиолетового. Первые СД были разработаны и созданы в 50-х — 60-х годах XX в. в ряде лабораторий. Их длины волн излучения имели различные значения, но лежали в интервале от инфракрасного лишь до зеленого цвета. Чтобы получить с помощью таких источников синий цвет свечения, понадобилось существенно больше времени — более 30 лет. Для этого нужно было разработать технологию выращивания кристаллов высокого качества на основе полупроводниковых материалов с большей шириной запрещенной зоны. Решать задачу пришлось на уровне высоких технологий: были созданы установки для роста кристаллов методом металлоорганической газовой эпитаксии, с помощью которых было обеспечено контролируемое легирование слоев широкозонных полупроводников с р-типом проводимости.
Это стало возможным к концу 80-х годов прошлого века, когда удалось реализовать р-тип проводимости и создать большую концентрацию дырок в нитриде галлия ^а^, легированного акцептором магнием. Для получения эффективных светодиодных структур синего цвета свечения потребовалось также разработать технологии выращивания твердых растворов на основе InGaN и AlGaN с различным содержанием индия и алюминия и создания многослойных структур InGaN/AlGaN/GaN с активной областью малой толщины — р-и-гетеропереходом в структурах с квантовыми ямами.
Впервые излучение, генерируемое в твердом теле при протекании электрического тока, было обнаружено Генри Джозефом Раундом в 1907 г. в лаборатории Гульельмо Маркони [6]. Раунд заметил, что свечение возникает при приложении напряжения к точечному контакту металла с карборундом ^С, карбидом кремния). При низких напряжениях наблюдался желтый свет, а с по-
вышением напряжения добавлялись другие цвета. Советский физик Олег Владимирович Лосев также обнаружил этот эффект — в 1920—1930-х годах он подробно исследовал свечение полупроводника в контакте металл—полупроводник и отмечал: «Здесь происходит совершенно своеобразный электронный разряд, не имеющий, как показывает опыт, накаленных электродов». Свечение было «безынерционное», т.е. не имеющее заметного послесвечения. Лосев 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 изобретением светодиода и предсказанием современной оптоэлектроники [4—7]. Стоит отметить, что данные результаты были получены задолго до создания современной электронной теории полупроводников.
Развитие физики твердого тела и особенно физики полупроводников в 1940-х годах позволило понять принцип работы р-и-переходов, что привело к изобретению транзистора в США в 1947 г. (Нобелевская премия 1956 г. У.Шокли, Дж.Бардина и У.Брэттена). Стало ясно, что р-и-пе-реход, контакт двух областей соответственно с дырочным и электронным типом проводимости, может быть перспективным для излучения света. В 1951 г. К.Леховец с коллегами в США [8] попытались объяснить электролюминесценцию в SiC как результат инжекции носителей в контакте металл—полупроводник с последующей излу-чательной рекомбинацией электронов и дырок. Однако наблюдаемая энергия фотона оказалась меньше ширины запрещенной зоны SiC, и авторы предположили, что излучательная рекомбинация, скорее всего, происходит на примесях или дефектах кристаллической решетки. В 1955 г. ин-жекционная электролюминесценция была обнаружена в ряде полупроводниковых структур типа АШВ¥ [9]. В 1955 — 1956 гг. Дж.Хейнс показал, что электролюминесценция наблюдается в германии и кремнии; она была объяснена излучательной рекомбинацией электронов и дырок в области р-и-перехода [6, 10], рис.1.
За последующие несколько лет были разработаны методы, позволяющие создавать эффективные р-и-переходы в арсениде галлия (GaAs). Этот полупроводник — прямозонный*, поэтому в нем велика вероятность рекомбинации электронов и дырок без участия фононов. Ширина запрещенной зоны GaAs при комнатной температуре составляет 1.4 эВ, что соответствует излучению
* Термин «прямозонный» подразумевает, что в координатах квазиимпульс—энергия минимум зоны проводимости лежит точно над максимумом валентной зоны. Поскольку при переходе между этими состояниями квазиимпульс электрона не меняется, такие переходы могут происходить с излучением фотонов, без участия фононов.
в инфракрасном диапазоне. Летом 1962 г. появилось сообщение о наблюдении излучения в GaAs [11], а через несколько месяцев независимо и практически одновременно тремя исследовательскими группами было обнаружено и когерентное (лазерное) излучение в GaAs при температуре жидкого азота (77 К) [6]. Но прошло еще несколько лет, прежде чем лазерные диоды получили широкое распространение.
Жорес Иванович Алфёров и его группа в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе в 60-х годах прошлого века исследовали гетерострукту-ры соединений типа АШВ¥ на основе арсенида галлия. Было показано, что в двойных гетерострукту-рах Al¡tGal_¡As/GaAs/Al¡tGal_¡As эффективность из-лучательной рекомбинации — внутренний квантовый выход излучения — достигает 99.7%. За эти работы Ж.И.Алфёров (совместно с Г.Кремером) был удостоен Нобелевской премии 2000 года.
Появление гетероструктур позволило локализовать носители в квантовых ямах таких структур при одновременном снижении оптических потерь. Лазерные диоды стали работать в непрерывном режиме при комнатной температуре, что открыло дорогу для их использования в различных областях науки и техники.
В конце 1950-х годов начались исследования электролюминесценции фосфида галлия (GaP) [6, 9], ширина запрещенной зоны которого равняется 2.2 эВ. Определенные трудности на пути создания светодиодов на его основе возникли по причине того, что GaP — непрямозонный полупроводник и рекомбинация носителей в нем возможна лишь с участием фононов, что снижает ее вероят-
Рис.1. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного (р-п-) перехода при приложении потенциала еи в прямом направлении. Стрелками показана инжекция электронов и дырок при прямом токе через переход и их последующая рекомбинация с излучением квантов света йю. Здесь Ev — потолок валентной зоны, Ес — дно зоны проводимости, Гр и Г„ — квазиуровни Ферми для дырок и электронов, соответственно, Ед — ширина запрещенной зоны.
ность и, как следствие, эффективность излучения. Скачок в создании эффективных СД на основе GaP был сделан параллельно тремя исследовательскими группами из Германии, Великобритании и США [6]. Использование различных легирующих примесей, например Zn-O или N в разных концентрациях, позволили исследователям получить целый ряд длин волн излучения в диапазоне от красного до желто-зеленого цвета. К концу 1960-х годов многие производители в разных странах начали промышленно изготавливать красные и желто-зеленые СД на основе GaP [12].
У кристаллов твердых растворов GaASl-IPI длина волны излучения может быть короче, чем у аналогов из GaAs, и достигать видимого диапазона, в то время как запрещенная зона остается прямой для значения параметра х ниже 0.45. Н.Холоньяк-младший с коллегами в конце 1950-х годов начали заниматься проблемой создания р-и-переходов в таких соединениях, и им удалось сделать из них СД. В 1962 г. был создан лазерный диод с длиной волны излучения 710 нм, лежащей в красном диапазоне [6, 13].
Получение синего света в полупроводниковом кристалле оказалось значительно более трудной задачей. Ранние попытки построить источник синего света на базе материалов ZnSe и SiC успеха не имели. Материалом, который смог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.