30-летний технологический тупик: как инженер Nichia решил три «невозможные» проблемы и создал синий светодиод (и современные зарядные устройства на основе GaN)

Если вы спросите инженера-электронщика, что общего между энергоэффективным освещением и компактными 100-ваттными зарядными устройствами для ноутбуков, он, вероятно, ответит: нитрид галлия (GaN). Сегодня этот материал является основой двух технологических революций. Однако мало кто знает, что возможность массового производства высококачественных кристаллов GaN является результатом решения трёх фундаментальных физических задач, которые на протяжении 30 лет считались неразрешимыми.. Чтобы понять, почему зарядка GaN стала возможной, нам нужно вернуться к началу — к трем проблемам нитрида галлия, которые не смогли решить гиганты исследований и разработок, но которые смог решить Судзи Накамура.

Суджи Накамура, ныне профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB)

Проблема №1: дефекты кристаллов из-за несоответствия решеток

Чтобы светодиод эффективно излучал свет, ему нужен монокристалл с минимальным количеством дефектов. Для синего света (длина волны ≈450 нм) требуется полупроводник с широкой запрещенной зоной (~2,7 эВ), и лучшим кандидатом является нитрид галлия (GaN). Проблема заключалась в том, что в продаже не было для него «родной» подложки.

Лучше всего подошел сапфир, но несоответствие параметров его кристаллической решетки (рассогласование решеток) составило 16%. Это приводит к катастрофической плотности дислокаций в кристалле – более 10¹⁰ дефектов на см². В такой структуре рекомбинация электронов и дырок происходит преимущественно безызлучательно: энергия переходит в тепло, а не в свет. КПД стремится к нулю.

Решение Накамуры (Двухпоточный MOCVD): вместо поиска идеальной подложки он улучшает сам процесс роста кристаллов. Он радикально модифицирует стандартный реактор MOCVD, добавляя второй поток газа. Это позволило реализовать двухэтапный рост:

ПервыйНа сапфировую подложку при низкой температуре (~500°C) наносится тонкий буферный слой GaN. Он аморфен, но служит демпфером, сглаживающим напряжение между решетками.
После этогопри высокой температуре (~1000°C) на этот буферный слой осаждается основной высококачественный кристалл GaN.

Такой подход снизил плотность дефектов на четыре порядка (до ~10⁶ на см²), что было достаточно для создания эффективного устройства. Накамура был первым, кто довел этот метод до промышленно воспроизводимого результата.

Зависимость цвета светодиода от ширины запрещенной зоны материала (Э/эВ)

Проблема №2: невозможность создания p-типа из-за водородной пассивации

Светодиод представляет собой p-n переход. Для этого требуется GaN как n-типа (с избытком электронов), так и p-типа (с «дырками»). Получить n-тип несложно — легирование кремнием работает стабильно. Но создать р-тип не удалось. При добавлении магния (Mg), который должен был создавать «дыры», материал оставался изолятором с высоким сопротивлением. В то время научный консенсус заключался в том, что это фундаментальное ограничение материала.

Накамура выдвинул гипотезу и доказал, что виновником является водород (H). В процессе выращивания MOCVD в качестве источника азота используется аммиак (NH₃). Свободные атомы водорода диффундируют в решетку и образуют устойчивые комплексы Mg-H, пассивируя акцепторы (магний). Таким образом, никакая электронная «дырка» образоваться не может.

Команда Акасаки и Амано, также работавшая над этой проблемой, нашла решение в виде облучения электронным лучом (LEEBI). Но это очень дорого и сложно в массовом производстве. Накамура, напротив, нашел более дешевое решение: термический отжиг.. Простое нагревание кристалла в инертной среде (N₂) разрывает связь Mg-H и вынуждает водород покинуть кристалл. Простой, дешевый и масштабируемый метод, открывающий путь к массовому производству.

Схематическое объяснение полупроводников n- и p-типа. Создание n-типа (вверху) — простая задача, но создание стабильного p-типа (внизу) в нитриде галлия считалось невозможным.

Проблема №3: низкая квантовая эффективность

Даже при идеальных слоях p- и n-типа яркость светодиода была недостаточной. Вероятность встречи электрона и дырки и рекомбинации с испусканием фотона (радиационная рекомбинация) все еще очень мала.

Накамура применил и усовершенствовал двойную гетероструктуру. Между слоями p-GaN и n-GaN добавлен сверхтонкий (в единицах нанометров) активный слой нитрида индия-галлия (InGaN).

InGaN имеет меньшую запрещенную зону, чем GaN. Эта разница создает потенциальную яму. Электроны и дырки, инжектированные из n- и p-слоев, «попадают» в эту дырку и локализуются в ней. Их концентрация в этом небольшом объеме резко возрастает, что многократно увеличивает эффективность излучательной рекомбинации.

Именно эта технология позволила добиться беспрецедентной яркости и лежит в основе всех современных синих и белых светодиодов..

Принципиальная схема гетероструктуры синего светодиода, в которой активный слой InGaN (квантовая яма) зажат между слоями p-типа и n-типа. Справа — классическая структура на сапфировой подложке (Al₂O₂), спроектированная Накамурой, с контактом, отклоненным вбок от n-слоя, поскольку сапфир является изолятором. Слева — более поздняя и более дорогая структура на подложке из проводящего карбида кремния (SiC).

От Нобелевской премии к зарядному устройству на основе GaN

Накамура не просто нашел единственный ответ, а создал целую цепочку процессов, в которых каждая решенная проблема открывает путь к следующей.. Создание качественного кристалла (Two-Flow MOCVD) позволило уделить серьезное внимание проблеме p-типа. Решение проблемы водородной пассивации (отжига) позволило создать pn-переход. А структура с квантовой ямой (InGaN) превратила работающий прототип в коммерчески успешный продукт.

Именно этот общий прорыв был оценен Нобелевским комитетом в 2014 году. Однако у этой истории было и важное экономическое и юридическое продолжение. Коммерческий успех технологии был ошеломляющим, но корпоративное вознаграждение Накамуры за его изобретение составило всего 20 000 иен (около 170 долларов). Это дело привело к знаковому судебному делу. Суд Токио первоначально присудил Накамуре рекордные 189 миллионов долларов, создав шокирующий прецедент. Позже, после апелляции, стороны достигли соглашения в размере 8,1 миллиона долларов, что, однако, навсегда изменило практику награждения изобретателей в Японии и подчеркнуло ценность интеллектуального вклада человека.

Однако для нас, потребителей, гораздо важнее технологическое наследие этого прорыва:

Микросветодиодные дисплеи. Следующее поколение экранов, где каждый пиксель представляет собой независимый микроскопический светодиод. Они обещают непревзойденную яркость и контрастность и основаны на том же высококачественном нитриде галлия.
УФ-С стерилизация. Накамура и его команда сейчас активно работают над разработкой эффективных светодиодов в диапазоне глубокого ультрафиолета (УФ-С). Такие диоды могут убивать вирусы и бактерии, включая SARS-CoV-2, и могут произвести революцию в системах очистки воды и воздуха.
Силовая электроника. Да, те самые GaN-транзисторы. Способность нитрида галлия работать при высоких напряжениях и частотах с минимальными потерями — это то, что позволяет использовать меньшие по размеру источники питания и более эффективные инверторы для электромобилей и солнечных панелей.

Современное зарядное устройство GaN. Возможность создания столь компактных и мощных источников питания является прямым следствием освоения технологии изготовления высококачественного нитрида галлия, описанной в этой статье.

Кроме того, по мере развития технологии GaN ее производительность может улучшиться настолько, что необходимость в таких гибридных решениях отпадет. По мнению Умеша Мишры, профессора Калифорнийского университета, большую часть преимуществ HyFET можно получить более дешевым способом — просто упаковав GaN и SiC-транзисторы в один корпус. Но у этого подхода есть существенный недостаток: эти методы совместной упаковки демонстрируют паразитную индуктивность и не так эффективны, как новый транзистор HyFET.

История Судзи Накамуры доказывает фундаментальный принцип: освоение одного материала открывает двери в десятки, казалось бы, не связанных друг с другом областей. От лампочки в наших потолках до будущего VR-гарнитур и систем дезинфекции — все это стало возможным благодаря тому, что 30 лет назад один инженер отказался поверить в неразрешимость этой задачи.