Příběh modré LEDky

K udělení letošní Nobelovy ceny za fyziku

Královská švédská akademie věd oznámila, že Nobelovu cenu za fyziku 2014 získali tři japonští vědci Isamu Akasaki, Hiroši Amano a Šudži Nakamura za vývoj modrých světelných diod na bázi GaN (nitridu gallia) umožňujících vytvoření nového ekologického světelného zdroje. Letos tedy byla Nobelova cena udělena za objev, jehož výsledky každý den využíváme, aniž bychom si toho možná byli bezprostředně vědomi, například na displejích mobilních telefonů nebo plochých monitorech počítačů a notebooků nebo v DVD přehrávačích využívajících Blue-ray technologii. Využití tohoto vynálezu bude v budoucnu ještě mnohem širší a má potenciál snížit nároky lidstva na spotřebu energií, protože snižuje o 95 % energetickou náročnost osvětlení ve srovnání s klasickou žárovkou. Tentokrát nebyla cena udělena za objev nového jevu, nové částice, ani za vývoj nového typu LED struktury, ale za vynikající a vytrvalou technologickou práci, i za to, že se tito badatelé nevzdávali, když většina vědecké komunity považovala přípravu modrých diod za neproveditelnou. Přípravu modré svítivé diody umožnilo hned několik objevů, na kterých se tito tři vyznamenaní vědci podíleli.

Modré svítivé diody

Podobné svítivé diody založené na jiných materiálech byly využívány již po desítky let. Dobře pamatujeme ještě období, kdy byly např. mobilní telefony podsvíceny oranžově nebo zeleně. Pro dosažení bílé barvy emitovaného světla však chyběla modrá emisní dioda. Bílou barvu lze totiž získat kombinací zelené, červené a modré emisní diody nebo ozářením luminoforu používaného také v zářivkách modrým světlem. Modré emise však bylo možné dosáhnout pouze na polovodičích se širším zakázaným pásem jako je např. GaN. To byl pro technology velice těžký a až zdánlivě neřešitelný problém. Na přípravu LED struktur je totiž potřebná monokrystalická podložka z vhodného, nejlépe stejného, materiálu. Kvalitní a dostatečně velké nitridové podložky však nebyly dostupné a doposud je to velký technologický problém, i když na tomto úkolu pracuje několik špičkových světových laboratoří. Je to stejně složité, jako vyrobit velký kvalitní diamant, který má také silné vazby mezi uhlíkovými atomy podobně jako nitridové polovodiče. Fyzikové se proto pokoušeli připravit nitridové polovodivé vrstvy na monokrystalických podložkách jiných materiálů, ale kvalita takto připravených vrstev byla vždy příliš špatná, s množstvím dislokací, takže pro takové struktury nebylo možné dosáhnout dostatečně intenzivní luminiscence.

Změna nastala až roku 1986, kdy se v Japonsku Hiroši Amanovi a Isamu Akasakimu z Nagojské university podařilo po dvacetiletém výzkumu navázat kvalitní vrstvu GaN na safírovou podložku pomocí vrstvy AlN (nitrid hliníku) připravené za nízké teploty. Byl to nápad pro technology velmi překvapivý a neotřelý, protože za nízké teploty je deponovaná vrstva AlN velmi nekvalitní s hrubým povrchem. Právě tato „nekvalitní“ vrstva polovodiče dokázala odstranit většinu nežádoucích dislokací v dalších vrstvách připravených již za vysoké teploty. Tímto objevem se otevřely dveře dalšímu výzkumu nitridových polovodičů. Nedlouho nato dokázal připravit Šudži Nakamura v laboratořích firmy Nichia také nízkoteplotní podkladovou vrstvu přímo z GaN, přestože mu vedení firmy výzkum na nitridových polovodičích zakázalo. Pro realizaci diodové struktury je nutné vytvoření p-n přechodu. Zde nastal další technologický problém. Jako p-typový dopant byly využívány atomy hořčíku, avšak ty zůstávaly ve struktuře většinou elektricky neaktivní. První krok, jak vyřešit tento problém, se podařil opět oběma vědcům, Amanovi a Akasakimu, na universitě v Nagoji roku 1991, když ozářili dopovanou strukturu ve vakuu nízkoenergetickými elektrony, čímž se staly atomy hořčíku aktivními p-typovými dopanty. O rok později vynalezl Nakamura, který v Nichii pokračoval ve vývoji nitridové technologie stále proti vůli vedení firmy, praktičtější způsob: žíhání struktury při 750°C bez přítomnosti vodíku. Posledním krokem, který byl nutný k přípravě modrých diod, byla příprava InGaN slitinové polovodivé vrstvy, kterou se poprvé podařila v laboratořích firmy Nichia opět Šudži Nakamurovi roku 1996. V této laboratoři byla také poprvé připravena modrá svítivá dioda i modrá laserová dioda. Objev přinesl firmě Nichia miliardové zisky a firma s původně 200 zaměstnanci vyrostla ve světový gigant.

Z uvedeného příběhu je zřejmé, že se skutečně všichni tři ocenění vědci podíleli na objevení technologie přípravy modré emisní diody přibližně stejným dílem, prokázali velkou vytrvalost a ovlivňují a budou stále více ovlivňovat svým vynálezem náš každodenní život a pomohou uspořit ohromné množství energie.

Přípravou modré luminiscenční diody však příběh nitridových polovodičů neskončil. Objevily se nové technologické výzvy jako příprava zeleného nebo ultrafialového laseru, či růst na křemíkových podložkách i nové aplikace jako vysokovýkonové tranzistory nebo součástky pracující v extrémních podmínkách s vysokou teplotou (motory automobilů) nebo za přítomnosti radiace. Velké úsilí je nyní věnováno také zvýšení intenzity záření luminiscenčních diod tak, aby mohly být používány v dálkových světlometech automobilů. Do tohoto výzkumu se nyní poprvé budou moci zapojit i čeští vědci v nové laboratoři pro přípravu nitridových polovodičů ve Fyzikálním ústavu AV ČR budované na základě projektu LABONIT, který získal podporu z evropských strukturálních fondů ve výši 46 mil. Kč v rámci 11. výzvy OPPK.