Nobelpriset i fysik 2014

Priset i fysik detta år må vara mera av en ‘uppfinning’ än en ‘upptäckt’, men det är definitivt i Alfred Nobels anda, ty det har givits till forskare som ”hafva gjort menskligheten den största nytta”. Dioder som avger blått ljus (LED) är nyckelkomponenter i de vita LED-lampor som idag används för allmän-belysning. LED-lampor möjliggör stora energivinster på grund av deras effektivitet jämfört med traditionella glödlampor. Vidare bidrar LED-lampor till ökad livskvalitet för människor som vistas lång ifrån elnätet eftersom dessa kan drivas av solceller, vilket gör det möjligt för exempelvis barn att göra sin läxor och företag att fungera även efter mörkrets inbrott.

Vitt ljus kan skapas genom att kombinera rött, grönt och blått ljus, vilket visades redan år 1672 av Isaac Newton. En vit LED-lampa kan alltså åstadkommas genom att kombinera en röd-, en grön- och en blå-emitterande LED. Emellertid består de flesta av dagens vita LED-lampor endast av en blå LED-lampa täckt med ett fosforlager för att konvertera en del av det blåa ljuset till rött eller grönt via luminiscens. Sådana vita LED-lampor har för närvarande en prestanda på mer än 300 lm/W och har samtidigt uppnått en effektverkningsnivå där mer än hälften av den elektriska energin omvandlas till ljus.

Man kan jämföra detta med glödlampor som producerar 16 lm/W, och har en motsvarande effektivitet på ungefär 4%, eller med lysrör som avger 70 lm/W. Genom att ersätta glödlampor med de tio gånger effektivare vita LED-lamporna, kan man således spara mycket energi, speciellt i industriella ekonomier där 20-30% av elektriciteten används för belysning. Dessutom har LED-lamporna en mycket lång livslängd, man talar om 100 000 timmar, vilket är 100 gånger längre än traditionella glödlampor och tio gånger längre än lysrör. Därtill ska man beakta att LED-lampor inte innehåller giftigt kvicksilver vilket lysrör tyvärr gör.

På grund av sin effektivitet och kompakthet, är nu LED-lampor en del av vår dagliga tillvaro, där de utgör en viktig komponent i fullfärgsskärmar, ficklampor, bilstrålkastare och som ljuskällor i såväl allmän som dekorationssbelysning. Många av de kommande tillämpningarna för de blåa LED-lamporna kunde förutses bland industrifolk och akademiker innan de ens var konstruerade. Således plöjdes mycket pengar in i forskningsområdet, men trots alla bemödanden var framstegen små och långsamma. De flesta hade gett upp och övergett materialsystemet gallium-nitrid när nobelpristagarna slutligen nådde sina framgångar. Varför var det en sådan utmaning att konstruera blå LED-lampor, och vad gjorde Akasaki, Amano och Nakamura för att övervinna dessa svårigheter?

Historien om den blå lysdioden

Att lysdioder (eng. light-emitting diode – LED) kunde avge ljus i det synliga spektrumet (röd) visades i oktober 1961 av Holonyak och Bevacqua vid General Electric. Forskarna hade använt en galliumarsenidfosfid (GaAsP) förening för att framställa pn-övergångar som figuren ovan visar. Dessa komponenter introducerades rekordsnabbt av General Electric på marknaden. Röda LEDs fanns tillgängligt på marknaden redan i december samma år och kostade 260 USD styck. Idag kostar en röd LED mindre än 20 cent.

På grund av de inneboende materialegenskaperna hos GaAsP, begränsas det emitterade ljuset till intervallet mellan det infraröda och det gula. Grönt, blått, violett och ultraviolett ljus kan inte avges av komponenter tillverkade med denna förening. Den kommersiella framgången med röda LEDs sporrade en intensiv forskningsverksamhet som spände nästan 30 år och hade som syfte att fylla ut luckan i färgspektrumet.

Forskningen under denna period var med få undantag uteslutande fokuserad på II-VI halvledare såsom zinkselenid. Dessa halvledare tycktes vara ideala för ändamålet. De har samma kristallstruktur (zinkblände), som de relativt billiga galliumarsenidsubstraten som dessutom håller en mycket hög kvalitet. Gitterkonstanterna, det vill säga vissa specifika avstånd mellan atomerna i kristallen, var också mycket lika och medförde att man kunde framställa II-VI kristallskikt med en mycket låg koncentration av defekter på galliumarsenidsubstrat. Både lasrar och LEDs baserade på dessa material kunde demonstreras i laboratorierna världen över. Dock hade dessa prototyper en mycket begränsade livslängd vilket hindrade utvecklingen av kommersiellt gångbara produkter.

Forskarna upptäckte efter hand att man kopplade de II-VI baserade komponenterna till en strömkälla uppstod defekter kontinuerligt på grund av strömmen som passerade genom materialet. Redan inom loppet av några timmar (några minuter för lasrarna) hade koncentrationen av defekter blivit så hög i lysdioderna att de slutade att fungera. Den enda blå LED var kommersiellt tillgänglig under denna period var baserad på kiselkarbid. Det indirekta bandgapet (Figur) hos detta material gjorde det direkt olämpligt för ljusemission. Blå lysdioder gjorda av kiselkarbid var följaktligen extremt ineffektiva och hade en mycket låg ljusstyrka. Det fanns dock inga bättre alternativ.

En annan påtänkt materialkandidat för blå lysdioder var galliumnitrid (GaN). Redan 1971 hade Pankove och medarbetare vid RCAs laboratorier i Princeton påvisat blå, grön, gul och röd ljusemission från en speciell typ av GaN-diod som bestod av en metall pålagd på ett tunt isolatorskikt ovanpå halvledaren (GaN). Denna diodtyp fungerar utan p-dopning vilket man då inte lyckats uppnå, men effektiviteten var alltför låg för praktiska tillämpningar. Materialet som hade framställts av Maruska och Tietjen, även de vid RCA, uppvisade en mycket hög och okontrollerbar bakgrundsdoping av n-typ. Detta och den mycket låga kristallkvaliteten hos GaN (det fanns inget lämpligt substrat) gjorde att GaN ignorerades under 70- och 80-talen. Det betraktades som ett hopplöst material.

Isamu Akasaki och Hiroshi Amano vid Nagoya Universitetet lyckades bemästra de största problemen hos GaN, kristallkvaliteten och p-dopningen, och återförde det därmed till listan av potentiella kandidater för blå lysdioder. Under 1986 visade Amano och medarbetare att GaN kristallskikt av hög kvalitet kunde uppnås via en speciell metod som byggde på kristallbufferlager. Under 1988 presenterade Akasaki och medarbetare för första gången p-typ GaN dopat med magnesium. Trots dessa genombrott betraktades GaN fortfarande inte som en seriös kandidat för blå lysdioder.

Shuji Nakamura ändrade på detta. Han var vid den tiden anställd hos Nichia Chemicals i Japan, vilket var ett litet företag som specialiserat sig på bland annat fosforprodukter. Firmans chef och grundare Ogawa gav Nakamura uppdraget att undersöka GaN. Ogawa förstod att marknaden för blåemitterande LEDs var enorm och hoppades kunna göra en ansenlig vinst genom att satsa på GaN. Resultaten följde snabbt.Under 1991 tillverkade Nakamura sin första pn-övergång som emitterade blått ljus och 1993 utvecklade han den första effektiva blå GaN-baserade lysdioden med hög ljusstyrka. Nichia lanserade komponenten på marknaden samma år. Den första blåvioletta laserdioden gjord av GaN utvecklades under 1996 av Nakamura, som också förbättrade livstiden av både LEDs och GaN-laserdioder genom en nyutvecklad metod för framställning av kristallskikt. Komponenterna blev en omedelbar kommersiell succé.

Varför lyckades nobelpristagarna där alla andra hade misslyckats?

Problemen kring valet av GaN för blå lysdioder var många och till synes oöverstigliga. Det fanns inget lämpligt substrat, vilket betydde att kristallskikten måste framställas på ett annat substratmaterial, som till exempel safir. Detta resulterar i en ackumulation av mekanisk spänning i GaN skikten, vilket i sin tur medför bildandet av många defekter (ett exempel på en defekt är exempelvis en atom som saknas eller hamnat fel i kristallstrukturen). En hög defekttäthet leder till försämrad prestanda hos komponenten, eftersom defekterna inverkar negativt på de gäller elektriska och optiska egenskaperna hos materialet.

Kisel är det ämne som totalt dominerar inom mikroelektroniken vilken utgör grunden för till exempel datorer eller surfplattor. En kiselwafer eller substrat har en defekttäthet som understiger 100 defekter per cm2. Ett material som används i många optoelektroniska komponenter är GaAs som har ungefär 100-5000 defekter per cm2. Lysdioder av GaN har 100 000 000 defekter per cm2 det vill säga tjugotusen till en miljon gånger fler defekter än i kisel och GaAs. Detta gjorde att GaN ansågs som hopplöst för lysdiodtillverkning. Men, trots den höga defektkoncentrationen, visade sig GaN emittera ljus mycket effektivt. Det är typen av defekt som är avgörande snarare än förekomsten av densamma.

Ett annat problem var p-dopningen. I stort sett all optoelektronik bygger på att det finns både p- och n-dopade material. Dessa två problem (med andra ord att erhålla kristallskikt av hög kvalitet samt p-dopning) var skälen till att så gott som alla forskare världen över hade gett upp GaN, med undantag för Akasaki, Amano och Nakamura. De var oerhört motiverade och arbetade målmedvetet och de lyckades även få forskningsbidrag till sin forskning. Nichia satsade 3,3 miljoner USD på Nakamura. Beloppet motsvarade 1.5% av företagets försäljningsintäkter. Detta innebar ett anmärkningsvärt risktagande för så ett litet företag, på ett enda forskningsprojekt vars framgång var osäker och dessutom på ett material som närmast ingen trodde på. Men det är återigen ett exempel på att det ibland/ofta är nödvändigt att ta risker inom forskningen för att kunna nå de stora genombrotten (och de kommersiella vinsterna). När Nichias ordförande Ogawa fick frågan varför han hade trott så mycket på Nakamura, svarade han bara att ”Nakamura blev förälskad i GaN”.

Framtiden för GaN-baserade ljusemittrar

Idag, 23 år efter den första förevisningen av en pn-övergång i GaN-baserade lysdioder, utgör forskning på sådana ljusemittrar ett stort forskningsfält till vilka många forskare, både inom den akademiska världen och den industriella dras. Det är ett område som fortfarande är i behov av grundläggande materialforskning, samtidigt som det dessa dagar är tillräckligt moget för komponent-forskning. För tillfället läggs mycken möda på att utvidga de föreningar som är möjliga att växa baserade på grupp III-grundämnen kombinerade med väte (III-N), sådana som högkvalitativt InxGa1-xN med högre koncentration av indium (In) för att nå längre in i det gröna spektrumet, och att växa ren InN. Att växa på ovanliga kristallplan (så kallade icke-polära eller semi-polära plan) för att undersöka hur detta kan påverka optiska och elektriska egenskaper.

För att undvika några av de problem som är knutna till hög resistans hos p-dopat material, har det på senare tid utförts mycket forskning på tunnelövergångar, med ett genombrott förra året när tunnelövergångs-resistanser nära dessa man erhåller vid GaAs kunde uppnås trots de höga bandgapen och låga dop-koncentrationer man har i GaN-baserade material. På komponentnivå forskas det fortfarande mycket på effektiviteten hos LED:ar, eftersom detta är av stort kommersiellt intresse. Man diskuterar även möjligheten av att avhända sig av laserbaserad belysningskällor för att öka effektiviteten vid hög strömstyrka och sänka tillverknings-kostnaderna. Som exempel lanserar både Audi och BMW under hösten 2014 några nya modeller med laser-baserade strålkastarlampor. Helt nya typer av komponenter möjliggörs nu också av material baserade på III-nitrider såsom den första polaritonlasern (”tröskel-lös laser”) som fungerar vid rumstemperatur.

GaN-baserade ljusemittrar har på en mycket kort tid bidragit stort till mänsklighetens nytta och har definitivt kommit för att stanna. Nya III-N-baserade material och komponenter utforskas och utvecklas kontinuerligt och nya tillämpningar är att vänta. Vid Fotoniklabbet vid Chalmers kombinerar vi material- och komponentforskning fokuserat på ljusemittrar som ultravioletta lysdioder och blåljus-alstrande vertikal-kavitets-lasrar. Vi ser mycket fram emot en ljus framtid och att fortsätta arbeta inom ett område som just börjar blomstra.

Tommy Ive, docent
Avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Chalmers

Åsa Haglund, docent
Avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Chalmers

Tommy Ives forskning är fokuserad på avancerade kristallsyntesmetoder, innefattande molekylstråleepitaxi och metallorganisk gasfasepitaxi, för tillverkandet av nya strukturer och material baserade på GaN och relaterade halvledarföreningar. Hans nuvarande projekt innefattar ultravioletta GaN LEDs, InN för transistorer och blå GaN VCSELs (tillsammans med Åsa Haglund). Han har också forskat på icke-polära GaN baserade blå LEDs i Shuji Nakamuras labb vid University of California, Santa Barbara.

Åsa Haglunds forskning är fokuserad på III-nitrid-baserade mikrokavitets-lasrar, inklusive vertikal- kavitets-lasrar (VCSEL:ar), men hon är också engagerad i projekt som rör ultravioletta GaN-baserade LED:ar, GaAs-baserade VCSEL:ar för datakommunikations-tillämpningar, heterogen integrering av GaAs-baserade VCSEL:ar på kisel-plattformar, och grafen-baserad optoelektonik. Tidigare har hon forskat på III-nitrid-baserade LED:ar för det ultravioletta spektrumet, mod- och polarisations-kontroll i VCSEL:ar via grunda ytstrukturer, spektralt avstämbara VCSEL:ar med hjälp av elektrotermiskt flyttbara speglar, GaInNAs ribb-vågledarlasrar och spektralt modifierade kant-emitterande InGaAs-lasrar.