С момента создания МИЭТа его сотрудники активно занимаются научными исследованиями и разработками сложных электронных устройств. В лабораториях нашего университета сотни учёных, принимающих участие в мировых разработках. О своей деятельности рассказал Евгений Борисович Соколов – д.т.н., действующий член Российской академии естественных наук, профессор кафедры материалов функциональной электроники МИЭТа

- Евгений Борисович, Вы долгое время занимались полупроводниковыми материалами. Как восприняли присуждение Нобелевской премии в 2014 году группе японских исследователей за создание светодиодных ламп?

- С энтузиазмом. Проблемой замены электрических ламп накаливания на светодиодные лампы в мире занимаются тысячи специалистов. Считается, что за год один человек в среднем расходует три электролампы, а если учесть население Земли – семь миллиардов человек – будет виден масштаб мирового рынка. Кроме того, на освещение человечество тратит 30% вырабатываемой электроэнергии.

За два с лишним века использования электроэнергии в мире на человека примерно приходится около 0,5 кВт электрогенерирующихся мощностей, в России – 2,5  кВт. Показатель общего потребления электроэнергии на человека во многих странах равен 10 кВт и больше. Одним из элементов растущего электропотребления является освещение.

- Можно ли принципиально обеспечить освещение без использования электроэнергии?

- С самых первых шагов развития человечества применялось то, что можно было назвать «термофотоника» (ТФ) – использование генерации квантов света при сжигании углеводородов. Историческая цепочка выглядит так: костёр, факел, лучина, свеча, фитильные лампы (жидкие углеводороды), газовые светильники.

При электрификации всего мира, в частности, «термофотоника» была полностью заменена на «вольтафотонику», причём источником света стала нагретая тугоплавкая спираль (лампы накаливания) или, позднее, – газоразрядные лампы. В настоящем они практически полностью занимают рынок источников света, за ними стоит большое промышленное производство и постоянно растущий спрос. Высокий уровень разработки этих источников света обеспечивает их относительно низкую стоимость.

- Почему лампы накаливания и газоразрядные лампы не могут сохранить свои доминирующие позиции в системах освещения?

- Они недолговечны, что, обеспечивает постоянное производство на замещение, такие лампы расходуют много электроэнергии, а также имеют высокий уровень вредности неизбежных отходов. Здесь лидируют газоразрядные лампы. 

- Какая в этом случае может быть альтернатива?

- Во второй половине прошлого века начались активные работы по использованию света, выделяющегося в некоторых полупроводниковых биполярных структурах на электронно-дырочном переходе за счёт излучательной рекомбинации при прохождении постоянного тока.

На базе этого явления были созданы источники когерентного излучения, полупроводниковые лазеры, и источники некогерентного излучения – светодиоды. И те, и другие типы полупроводниковых приборов занимают важную нишу в полупроводниковой электронике, но малопригодны для общих систем освещения.

В промышленное производство вышли светодиоды красного цвета (карбид кремния, фосфид галлия) и некоторые другие варианты твёрдых растворов соединений элементов третьей и пятой групп Периодической системы.

- Что позволило перейти к светодиодам высокой яркости, используемым для создания конкурентных светодиодных ламп?

- При поисках материалов для коротковолновых светодиодов обращала на себя внимание группа широкозонных (с большой шириной запрещённой зоны) нитридов элементов третьей группы, в первую очередь, нитрид галлия. Эти соединения имеют высокое давление пара над расплавом и практически могут быть получены только методом эпитаксии, для чего необходима соответствующая подложка.

Таким подложечным материалом оказался монокристаллический сапфир. По разработанной технологии в настоящее время выращиваются монокристаллы сапфира диаметром до 100 миллиметров и более.

Впервые в мире структуры нитридов –алюминия и галлия – были получены в 1970 году в лаборатории МИЭТа. На подобных структурах в Америке, Германии и Японии были созданы «голубые» светодиоды малой интенсивности на так называемых m-i-n – структурах GaN/Al2O3, однако, биполярной структуры создать не удалось.

- В чём заключается новация Нобелевских лауреатов?

- Группе японских исследователей в начале 90-х годов прошлого столетия – С. Накамура, Х. Амано, И. Накасахи – удалось за счёт специального облучения превратить i-тип проводимости в m-i-n – структуре на сапфире в p-тип.

Обращение к биполярной структуре оказалось революционным – квантовый выход вырос более чем на порядок, а «яркие» светодиоды на основе нитрида галлия с p-n переходом позволяют формировать эффективные осветительные приборы, отличающиеся малым энергопотреблением и высокой долговечностью.

- Лидерами в мировом производстве светодиодных структур являются КНР и Тайвань, в этих странах работают несколько сотен эпитаксиальных установок, для сравнения: в России – не более десяти, обеспечивающих низкую стоимость и высокое качество основной части светодиода. Такой материал используется некоторыми нашими производителями.Но не следует забывать, что, как и в других случаях – «лучшее – враг хорошего», а за «хорошим» всегда стоят люди.

В настоящее время светодиодная лампа в сравнении с лампой накаливания стоит в пять раз дороже, потребляет в пять раз меньше энергии и в десять раз более долговечна при абсолютной экологичности производства и утилизации.

Деятельность

Основные научные направления Евгения Борисовича относятся к легированию полупроводников с целью получения материала с улучшенным качеством, синтез и исследования новых материалов, разработка новых технологических процессов, связанных с газофазной эпитаксией полупроводниковых соединений. В настоящее время работы направлены на совершенствование и снижение стоимости фотоэлектрических преобразователей.

Материал предоставил Евгений Борисович Соколов