Kada je Šuži Nakamura 1993. godine uspio da kreira prvu efikasnu plavu LED sijalicu, to nije bila obična tehnološka inovacija – bio je to kraj trideset godina naučne frustracije. Dok su crvene i zelene LED sijalice već bile komercijalno dostupne od kraja 1960-ih, plava LED predstavljala je gotovo nepremostiv izazov koji je natjerao mnoge kompanije da potpuno odustanu od istraživanja.
Problem sa plavom LED sijalicom nije bio samo tehnički – bio je fundamentalno fizički. Dok su crvene LED sijalice radile na principu galijum arsenida (GaAs) sa energetskim jazom od 1,42 eV, plava svjetlost je zahtijevala materijale sa značajno širim energetskim jazom od najmanje 3,4 eV. Ova razlika u energiji nije bila mala prepreka koju je moguće elegantno zaobići – predstavljala je potpuno drugačiji pristup materijalnoj nauci.
Energetski jaz određuje boju svjetlosti koju LED emituje. Kada se elektron spusti iz provodnog u valentni pojas, oslobađa energiju u vidu fotona. Što je veći energetski jaz, to je kraća talasna dužina svjetlosti – i plava svjetlost sa talasnom dužinom oko 450 nanometara zahtijeva daleko više energije od crvene koja ima oko 650 nanometara.
Galijum nitrid: materijal koji je prkosio nauci
Prva dokumentovana sinteza galijum nitrida desila se još 1938. godine zahvaljujući Robertu Juzi i Hariju Hanu, ali to je bio tek početak dugog puta. Rast visokokvalitetnih kristala GaN-a predstavljao je prvi veliki izazov. Za razliku od silicijuma ili galijum arsenida koji se mogu gajiti standardnim Čohralski ili Bridžman tehnikama, GaN je zahtijevao potpuno nove pristupe.
Problem je bio što se GaN može uzgajati samo heteroepitaksijalno – na stranim supstratima poput safira ili silicijum karbida. Ova nesaglasnost u kristalnoj strukturi dovodi do ogromne gustine dislokacija – do 10 milijardi defekata po kvadratnom centimetru. U poređenju, savremeni silicijumski wafer-i imaju manje od milion defekata po kvadratnom centimetru.
Drugi veliki problem bilo je kreiranje p-tipa GaN-a. Dok se n-tip može relativno lako postići dodavanjem silicijuma ili kiseonika, p-tip zahtijeva magnezijum kao dopant. Ali tu se krije zamka – vodonik koji nastaje tokom rasta kristala veže se za magnezijum i neutrališe ga, čineći materijal neprovodnim.
Godinama su istraživači pokušavali da riješe ovaj problem. Radio Corporation of America (RCA) uložila je značajne resurse u 1960-im godinama, ali nije uspjela da napravi komercijalnu GaN LED. Mnoge velike kompanije su odustale smatrajući da je problem nerješiv.
Tri čovjeka koji su promijenili sve
Preokret je stigao zahvaljujući upornosti trojice japanskih naučnika: Isamua Akasakija, Hirošija Amana i Šužija Nakamure. Akasaki i Amano su na Univerzitetu u Nagoji otkrili da elektronsko bombardovanje može aktivirati magnezijum u GaN-u uklanjanjem vodonika. Ovo otkriće bilo je slučajno – primijetili su da se materijal poboljšava kad ga slikaju elektronskim mikroskopom.
Nakamura, koji je radio u kompaniji Nichia, usavršio je ovaj proces razvijanjem termičkog tretmana koji je bio pogodniji za masovnu proizvodnju. Umjesto elektronskog bombardovanja, koristio je kontrolisano zagrijavanje da ukloni vodonik iz p-sloja.
Treći ključni korak bilo je poboljšanje efikasnosti emisije svjetlosti. Nakamura je razvio kvantne jame od indijum galijum nitrida (InGaN) koje su „zatvarale“ elektrone i šupljine u mali volumen, daleko od defekata koji bi mogli da apsorbuju energiju umjesto da je emituju kao svjetlost.
Najupadljivije je bilo što su ove InGaN kvantne jame radile uprkos ogromnoj gustini dislokacija. U normalnim okolnostima, takva količina defekata trebalo bi potpuno da uništi emisiju svjetlosti. Ali indijum u InGaN-u stvara lokalizovana energetska stanja koja zarobljavaju nosioce naelektrisanja prije nego što stignu do defekata.
Nakamura je uspio da postigne LED koja je bila 100 puta svjetlija od postojećih plavih LED-a tog vremena. Ova brzina poboljšanja bila je nevjerovatna – obično je potrebna decenija da se postigne tako značajan napredak u poluprovodničkoj tehnologiji.
Posljedice koje su promijenile svijet
Uspjeh plave LED sijalice nije bio samo tehnička pobjeda – omogućio je kompletnu digitalnu revoluciju. Kombinovanjem plave LED sa postojećim crvenim i zelenim, postalo je moguće kreirati bijelu LED svjetlost, kao i prikaze u punoj boji.
Bijele LED sijalice troše samo 5% energije običnih sijalica sa žarnom niti i traju 50 puta duže. Prema procjenama, prelazak na LED osvjetljenje može smanjiti globalnu potrošnju električne energije za osvjetljenje za 29% do 2025. godine.
Plava LED takođe je omogućila razvoj plavog lasera, što je dovelo do Blu-ray tehnologije sa pet do deset puta većim kapacitetom skladištenja podataka. Svaki put kad gledate 4K film ili igrate video igru sa visokom rezolucijom, koristite tehnologiju koja je nastala iz tridesetogodišnje borbe sa galijum nitridom.
Za svoje dostignuće, Akasaki, Amano i Nakamura su 2014. godine dobili Nobelovu nagradu za fiziku. Ovo je bila prva Nobelova nagrada za fiziku koja je dodijeljena za otkriće u oblasti osvjetljenja u čvrstom stanju.
Danas plava LED tehnologija dominira globalnim tržištem osvjetljenja vrijednim više od 100 milijardi dolara godišnje. Ono što je nekad djelovalo kao nepremostiva fizička prepreka, postalo je temelj moderne digitalne infrastrukture.
Priča o plavoj LED sijalici najbolje ilustruje kako naučna upornost može pobijediti i najozbiljnije tehnološke izazove. Bilo je potrebno trideset godina, stotine istraživača i nebrojeno mnogo neuspješnih eksperimenata, ali na kraju je ljudska upornost trijumfovala nad fizičkim ograničenjima.
(Telegraf)
