The post has been translated automatically. Original language: Russian
Why was the blue LED difficult to create?
The blue LED turned out to be the most difficult to create, because it required a material with a very large band gap, most of the known semiconductors simply could not emit blue light. The main reason was that there was no suitable material. For blue, a semiconductor with a much higher radiation energy was needed. Gallium nitride (GaN) turned out to be the best candidate, but it was extremely difficult to grow it without defects. It was also difficult to obtain high-quality crystals. The GaN crystals contained a huge number of defects, which caused the LEDs to either not work at all or to be very dim. The problem with the p-type is that two areas are needed for the LED: the n-type and the p-type. It was relatively easy to obtain the n-type, but it was not possible to make a working p-type of gallium nitride for decades. This was one of the main reasons for the delay. New technologies were needed, and scientists had to develop new methods for growing crystals, alloying, and processing the material. It took decades of research.
Why was it so important?
Without the blue LED, it would be impossible to create bright white LED lamps (they work thanks to a blue LED and a special phosphor), modern LED screens and televisions, smartphone displays, full-color RGB displays, etc.
Who solved the problem?
The key breakthroughs were made by Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura. Their research allowed them to create a bright and efficient blue LED, for which they received the 2014 Nobel Prize in Physics in 2014.
How did they solve this problem?
1. We have learned how to grow high-quality gallium nitride. The main problem was that gallium nitride (GaN) crystals were obtained with many defects. Isamu Akasaki and Hiroshi Amano have discovered that if you first apply a very thin layer of aluminum nitride (AlN) to a sapphire substrate, and only then grow GaN, the crystal becomes much better. It was like building a house: instead of uneven ground, they first make a solid foundation.
2. We learned how to make a p-type. Even with a good crystal, the LED still wasn't working. Scientists doped GaN with magnesium, but it still remained almost non-conductive. Later it turned out that hydrogen atoms "block" magnesium. It turned out that if, after growing, the material is heated (or irradiated with an electron beam), hydrogen leaves the crystal, magnesium begins to work as needed, and a full-fledged p-type appears. This was one of the decisive discoveries.
3. Improved the structure of the LED. Shuji Nakamura has developed a more advanced technology for growing gallium nitride layers and applied structures with quantum wells. In this design, electrons and "holes" are easier to meet, so much more energy is converted into light rather than heat.
Result
It was very difficult to create a blue LED because there was no suitable technology for producing high-quality gallium nitride and a working p-type of this material. It is the solution to these problems that has opened the way to modern energy-saving lamps, bright displays and LED lighting, which we use every day.
Почему синий светодиод было сложно создать?
Синий светодиод оказался самым сложным в создании, потому что для него требовался материал с очень большой шириной запрещённой зоны, большинство известных полупроводников просто не могли излучать синий свет. В основном причина была в том что не было подходящего материала. Для синего нужен был полупроводник с гораздо большей энергией излучения. Лучшим кандидатом оказался нитрид галлия (GaN), но его было чрезвычайно трудно выращивать без дефектов. Также сложно было получить качественные кристаллы. Кристаллы GaN содержали огромное количество дефектов, из-за этого светодиоды либо вообще не работали, либо были очень тусклыми. Проблема с p-типом, для светодиода необходимы две области: n-тип и p-тип. Получить n-тип было сравнительно просто, а вот сделать рабочий p-тип нитрида галлия десятилетиями не удавалось. Это была одна из главных причин задержки. Нужны были новые технологии, учёным пришлось разрабатывать новые методы выращивания кристаллов, легирования и обработки материала. Это заняло десятки лет исследований.
Почему это было так важно?
Без синего светодиода невозможно было бы создать яркие белые LED-лампы (они работают благодаря синему светодиоду и специальному люминофору), современные LED-экраны и телевизоры, дисплеи смартфонов, полноцветные RGB-дисплеи и т.д.
Кто решил проблему?
Ключевой прорыв совершили Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура. Их исследования позволили создать яркий и эффективный синий светодиод, за что в 2014 году они получили Нобелевская премия по физике 2014 года.
Как они решили эту проблему?
1. Научились выращивать качественный нитрид галлия. Главная проблема заключалась в том, что кристаллы нитрида галлия (GaN) получались с множеством дефектов. Исаму Акасаки и Хироси Амано обнаружили, что если сначала нанести очень тонкий слой нитрида алюминия (AlN) на сапфировую подложку, а уже потом выращивать GaN, кристалл становится намного качественнее. Это было похоже на строительство дома: вместо неровной земли сначала делают прочный фундамент.
2. Научились делать p-тип. Даже с хорошим кристаллом светодиод всё ещё не работал. Учёные легировали GaN магнием, но он всё равно оставался почти непроводящим. Позже выяснилось, что атомы водорода «блокируют» магний. Оказалось, что если после выращивания нагреть материал (или облучить его электронным пучком), водород покидает кристалл, магний начинает работать как нужно, и появляется полноценный p-тип. Именно это стало одним из решающих открытий.
3. Улучшили структуру светодиода. Сюдзи Накамура разработал более совершенную технологию выращивания слоёв нитрида галлия и применил структуры с квантовыми ямами. В такой конструкции электроны и «дырки» легче встречаются, поэтому гораздо больше энергии превращается именно в свет, а не в тепло.
Итог
Синий светодиод было очень сложно создать, потому что не существовало подходящей технологии для изготовления качественного нитрида галлия и рабочего p-типа этого материала. Именно решение этих проблем открыло путь к современным энергосберегающим лампам, ярким дисплеям и LED-освещению, которыми мы пользуемся каждый день.
Share
