GaN светодиоды

GaN-светодиоды — светодиоды на основе нитрида галлия (GaN), полупроводникового материала с широкой запрещённой зоной. Именно GaN позволил создать синие и белые светодиоды, которые совершили революцию в освещении. За эту разработку Суджи Накамура, Исаму Акасаки и Хироси Амано получили Нобелевскую премию по физике в 2014 году.

Проблема синего света

Красные светодиоды появились ещё в 1962 году, жёлтые и зелёные — в 1970-х. Но для белого света нужны все три базовых цвета: красный, зелёный и синий. Синий светодиод оставался «святым Граалем» электроники — десятки лабораторий пытались его создать, но безуспешно. Проблема в физике: синий свет имеет короткую длину волны (около 450 нм), что требует полупроводника с широкой запрещённой зоной — расстоянием между валентной зоной и зоной проводимости. Кремний и арсенид галлия для этого не годились.

Прорыв Накамуры

Суджи Накамура, инженер небольшой японской компании Nichia Chemical, в одиночку решил проблему. В 1989–1993 годах он разработал технологию выращивания кристаллов нитрида галлия (GaN) на сапфировых подложках. Ключевым стал метод двухпоточного MOCVD-осаждения — Накамура модифицировал стандартный реактор, добавив отдельный поток аммиака для улучшения качества кристалла.

В 1993 году Накамура представил первый яркий синий светодиод на основе InGaN/GaN — квантовых ям из сплава индия, галлия и азота. Яркость составила 1 кандела — в 100 раз выше предыдущих попыток. Параллельно профессора Исаму Акасаки и Хироси Амано из Университета Нагои разработали p-тип GaN с помощью магниевого легирования и электронного облучения. Их фундаментальные работы 1989 года заложили теоретическую базу для прорыва Накамуры.

От синего к белому свету

Белый светодиод создаётся просто: синий GaN-светодиод покрывается слоем жёлтого люминофора (обычно на основе церия и иттрий-алюминиевого граната — YAG:Ce). Синий свет возбуждает люминофор, тот излучает жёлтый, и смешение синего с жёлтым даёт глазу ощущение белого. Эта технология, запатентованная Nichia в 1996 году, лежит в основе всех современных LED-ламп, экранов смартфонов, автомобильных фар и уличного освещения.

Эффективность и применение

GaN-светодиоды преобразуют до 50% электрической энергии в свет (лампы накаливания — лишь 5%, люминесцентные — 20%). Срок службы — 50 000 часов против 1000 у ламп накаливания. По оценкам Международного энергетического агентства, переход на LED-освещение к 2030 году сэкономит 1300 ТВт·ч электроэнергии в год — это годовое потребление Японии и Австралии вместе взятых. Помимо освещения, GaN используется в силовой электронике (зарядные устройства GaN компактнее и легче кремниевых), лазерах Blu-ray, УФ-дезинфекции воды и даже в 5G-базовых станциях.