Niebieskie diody LED

Nagrodę Nobla w 2014 roku otrzymali Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura za wynalezienie wydajnych diod emitujących niebieskie światło, dzięki którym powstały jasne energooszczędne źródła światła.

Pierwsze diody świecące LED (z angielskiego light emitting diode) wprowadzono do produkcji w latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku. Aby wyjaśnić zasadę działania diody należy przedstawić podstawowe własności półprzewodników i złącza p-n. W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach oraz puste miejsca po elektronach, które mogą się przemieszczać, więc traktujemy je jako ładunki dodatnie.

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia

Półprzewodniki można domieszkować, czyli w sieć krystaliczną wprowadza się atomy innych pierwiastków. Jeśli domieszkowanie spowoduje pojawienie się dużej ilości swobodnych elektronów (więcej niż dziur), to jest to półprzewodnik typu n (od angielskiego słowa negative). Gdy domieszkowanie spowoduje pojawienie się większej ilości dziur niż swobodnych elektronów to otrzymujemy półprzewodnik typu p (od angielskiego słowa positive). Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy złączem p-n lub diodą półprzewodnikową.
Gdy diodę zasilimy w kierunku przewodzenia, czyli do półprzewodnika typu p przyłożymy plus, a do typu n minus, to w warstwie łączącej oba typy półprzewodników następuje rekombinacja czyli elektrony i dziury łączą się, wydziela się przy tym energia, która najczęściej zamienia się na energię wewnętrzną (powoduje podwyższenie temperatury).

Shuji Nakamura Urodził się 22 maja 1954 w Ikacie w prefekturze Ehime w Japonii. Ukończył wydział inżynierii elektrycznej na uniwersytecie w Tokushimie, tam również się doktoryzował w 1994 roku. Od 1979 roku pracował w japońskiej firmie elektronicznej Nichia Corporation, również z siedzibą w Tokushima. Od 1999 roku jest profesorem inżynierii na University of California w Santa Barbara w USA. W 1993 roku skonstruował pierwszy trwałą diodę LED świecącą kolorem niebieskim. Nakamura pracował również nad zielonymi diodami LED, jest odpowiedzialny za stworzenie białych żarówek LED oraz miał udział w konstrukcji niebieskich laserów używanych w Blu-ray i HD DVD. Jest autorem ponad 100 patentów.

Jeśli dioda zostanie wykonana z odpowiednio dobranego półprzewodnika, przy właściwej konstrukcji diody, energia powstająca w wyniku rekombinacji elektronów i dziur zamienia się w światło emitowane na zewnątrz o konkretnym kolorze, czyli ustalonej długości fali. Barwa światła zależy od użytego materiału półprzewodnika. Pierwsze diody świeciły kolorem czerwonym (takie światło ma największą długość fali czyli najmniejszą energię fotonu czyli kwantu światła) i były wykorzystywane we wskaźnikach odtwarzaczy, tablic rozdzielczych itp. Następnie otrzymano diody pomarańczowe, bursztynowe, żółte, zielone, ale brakowało diody świecącej kolorem niebieskim (światło o krótkiej długości fali czyli dużej energii fotonu). Typowymi materiałami z których otrzymywano diody LED był arsenek galu, fosforek galu i ich odmiany.

Isamu Akasaki Urodził się 30 stycznia 1929 w Chiran prefekturze w Kagoshima w Japonii. W 1952 roku ukończył uniwersytet w Kioto, a w 1964 roku obronił doktorat z elektroniki na uniwersytecie Nagoi i pracował tam przez większość swojej kariery naukowej. Zajmował się tam przede wszystkim technologią otrzymywania, badaniem własności i zastosowaniami azotku galu. W 2006 roku w Nagoi otwarto założony przez Isamu Akasaki instytut naukowo - badawczy Nagoya University Akasaki Instytut, w którym znajduje się również wystawa poświęcona historii wynalezieniu niebieskiej diody LED. Środki do budowy instytutu pochodziły z wpływów z przyznanych uczonemu patentów.

Przez ponad 30 lat szukano dobrego półprzewodnika, który świeciłby kolorem niebieskim. Teoretycznie wiele materiałów półprzewodnikowych mogłoby pełnić tę funkcję, ale należało znaleźć taki, który będzie niezawodny i łatwy w produkcji.
W 1990 roku amerykańska firma Cree Research zaprezentowała pierwszą niebieską diodą z węglika krzemu. Ale świeciła ona bardzo słabo. Rok później firma 3M wykonała świecącą diodę z selenku cynku. Niestety była ona nietrwała i musiała być chłodzona w ciekłym azocie, ponieważ w temperaturze pokojowej materiał rozgrzewał się i topił. Wielkie koncerny elektroniczne kontynuowały prace z tym materiałem ale dioda z selenku cynku nie spełniła oczekiwań.
W 1993 roku nieoczekiwanie Shui Nakamura pracujący w małej japońskiej firmie elektronicznej Nichia Corporation po kilkuletnich pracach wykonał diodę LED świecącą kolorem niebieskim opartą na azotku galu. Co najważniejsze świeciła ona jasno i była stosunkowo trwała. Firma opanowała technologię produkcji masowej i rozpoczęła sprzedaż niebieskich LED-ów. Co ciekawe Nakamura zajmował się konstrukcją diody LED z azotku galu od 1979 roku czyli od

Hiroshi Amano Urodził się 11 września 1960 w Hamamatsu w Japonii Ukończył studia w 1983 roku na Nagoya University, gdzie również się doktoryzował w 1989 roku. Na tej uczelni był również pracownikiem naukowym w latach 1988-1992. Od 1992 roku pracował w Meijo University gdzie był adiunktem. W latach 1998-2002 był profesorem nadzwyczajnym na tejże uczelni, a w 2002 został profesorem. Od 2010 roku jest profesorem w Wyższej Szkole Inżynierii, Nagoya University. Pracując w zespole Isamu Akasaki miał duży udział w badaniach na stworzeniem niebieskiej diody LED.

początku pracy w firmie Nichia z poparciem założyciela Nichii Nobuo Ogawy. Poparcie nie starczyło na długo. Szefowie firmy uznali, że Nakamura trwoni na diody zbyt dużo czasu i pieniędzy, więc nakazali zamkniecie badań. Ambitny naukowiec się nie poddał i kontynuował badania na własną rękę, pracując jednak ciągle dla Nichia. W 1993 roku po stworzeniu niebieskiego lasera firma zainwestowała w technologię co zaowocowało sukcesem komercyjnym i niebieska dioda weszła na szeroki rynek. Sam Nakamura dostał oprócz pensji nagrodę wynoszącą około tylko 180 dolarów. Po przeniesieniu się do USA Nakamura wytoczył proces byłemu pracodawcy, żądając uznania zasług i korzyści jakie przyniósł firmie. Po ugodzie w 2005 roku otrzymał około 9 milionów dolarów odszkodowania, w tym czasie największą premię zapłacona przez kiedykolwiek japońską firmę pojedynczej osobie.
Arsenek galu nie był obcym materiałem półprzewodnikowym. Naukowcy zajmowali nim się już od początku lat

Kryształ azotku galu otrzymywany przez Polaków

sześćdziesiątych, ale bez postępu, więc nie rokowano temu półprzewodnikowi wielkiej przyszłości i tylko nieliczne ośrodki badawcze zajmowały się tym materiałem. Naukowcem, który wytrwale poznawał własności azotku galu był Isamu Akasaki pracujący na Uniwersytecie Nagoi w Japonii. Już od 1964 roku zajmował się badaniem własności azotku galu, tworząc zespół naukowy. W 1982 roku do zespołu dołączył Hiroshi Amano. Zespół Isamu Akasaki zajmował się technologią otrzymywania kryształów azotku galu oraz domieszkowaniem tych kryształów w celu otrzymywania półprzewodnika typu n oraz p. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych w Nagoi usilnie próbowano otrzymać struktury mogące emitować światło niebieskie. Badania te umożliwiły później firmie Nichia Corporation stworzyć trwały jasno świecącą niebieską diodę LED. Dziś Nichia jest największym na świecie dostawcą diod.
Warto podkreślić, że długotrwały udział otrzymywaniu kryształów azotku galu i badaniu jego właściwości mają również polscy naukowcy z Wydziału Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego i Centrum Badań Wysokociśnieniowych "Unipres" Polskiej Akademii Nauk. Kontakty z nimi utrzymywał Nakamura, wielokrotnie przybywając do Warszawy. W 2012 roku firma Ammono założona pod koniec lat dziewięćdziesiątych przez absolwentów Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej opracowała i wdrożyła najlepszą metodę na świecie otrzymywania dużych i czystych kryształów azotku galu.

Trzy świecące diody LED o barwach podstawowych po zmieszaniu dają światło białe

Niebieskie diody LED wykorzystuje się do lamp oświetleniowych, emitujących światło zbliżone do światła białego czyli składającego się ze wszystkich barw. Lampy LED-owe są dziesięciokrotnie bardziej energooszczędne od tradycyjnych żarówek oraz dwukrotnie od żarówek energooszczędnych czyli świetlówek. Mogą działać od kilkudziesięciu nawet do stu razy dłużej niż zwykła żarówka z drucikiem. Przyszłość oświetlenia należy więc do urządzeń LED-owych.
LED-owe światło białe otrzymujemy na trzy sposoby. Najtańszym sposobem jest otoczenie niebieskiej diody specjalnym luminoforem składającym się z trzech warstw, z których każda realizuje przekształcenie światła niebieskiego lub nadfioletowego (UV czyli ultrafioletowego) na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Niestety sprawność takiego źródła światła jest mniejsza niż w następnej metodzie. Światło o innym kolorze, czyli o większej długości fali nie można prosto zamienić na fale krótsze ponieważ mają małą energię fotonu. Fotony światła niebieskiego maja dużą energię, więc poprzez stratę części energii mogą zostać zamienione na kolory o mniejszej energii fotonu czyli innym kolorze.
Drugą metodą jest mieszanie w odpowiednich proporcjach trzech podstawowych barw światła uzyskanych z trzech rodzajów diod: czerwonej, zielonej i niebieskiej (tzw. RGB - ang. Reed, Green, Blue). W metodzie tej najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż

LED-owe niebieskie sople oświetlają dom

nie występują tu straty w luminoforze, które związane są z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddawania barw. Wadą tej metody jest wysoki koszt oraz skomplikowana konstrukcja układu zasilająco - sterującego, ponieważ każda z diod wymaga osobnego układu zasilającego, ustalającego odpowiedni punkt pracy.
Trzecia metoda, zwana hybrydowa jest połączeniem dwóch pierwszych. Zastosowano tutaj wzbudzenie żółtego luminoforu przy pomocą światła diody niebieskiej. Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor, który z kolei konwertuje je w światło o barwie żółtej. Następnie dokonuje się mieszania barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą.
Skonstruowanie niebieskiej diody LED było krokiem do otrzymania niebieskiego lasera półprzewodnikowego. Takie mikroskopijne lasery odczytują płyty kompaktowe w odtwarzaczach Blu-ray i konsolach gier. Za pomocą niebieskiego lasera można zapisać kilka razy więcej informacji niż stosowanym wcześniej czerwonym ponieważ im krótsza długość fali tym trudniej światło ulega ugięciu czyli dyfrakcji i mniejsze mogą być rowki w płycie.
Przewiduje się kolejne zastosowania, na przykład miniaturowe projektory telewizji laserowej montowane w laptopach, telefonach komórkowych, czy zegarkach, umożliwiające wyświetlanie obrazu wideo wysokiej rozdzielczości.

Opracowano na podstawie artykułu "I stało się światło. Niebieskie" zamieszczonego w Gazecie Wyborczej w dniu 8.12.2014 i informacji internetowych.

---

« Poprzednia  Następna »