Prof. Grzegory o Noblu z fizyki: Niebieskie diody są wszędzie

Polscy badacze równocześnie z Japończykami pracowali nad kryształami azotku galu, mieli też bardzo poważne sukcesy.

Pierwszy laser na kryształach ciśnieniowych zrobił dla nas Shuji Nakamura - to była jeszcze współpraca nieoficjalna - i wtedy od razu ten laser był dwa rzędy wielkości lepszy od ich laserów - wspomina prof. Grzegory w rozmowie z Grzegorzem Jasińskim. Niestety nigdy nie mieliśmy dostatecznych funduszy, by się z nimi ścigać, ale i dziś nie jesteśmy daleko w tyle - podkreśla.

Grzegorz Jasiński, RMF FM: Tegoroczni laureaci to bardziej rywale czy bardziej koledzy z pracy?

Prof. Izabella Grzegory: Są to nasi koledzy, z dwoma z nich - Hiroshi Amano i Shuji Nakamurą - spotykamy się dość często przy okazji konferencji, wymieniamy korespondencję. Są to nasi koledzy "z dokładnością do Facebooka". Współpracujemy naukowo od wielu lat i cieszymy się ogromnie. A jeśli chodzi o rywalizację, to na pewno w badaniach naukowych zawsze jest element rywalizacji, ale my mamy swoje atuty, oni mają swoje. Ich bardziej zasługiwały na Nobla przede wszystkim dlatego, że rzeczywiście diody z azotku galu to rewolucja światowa, jeśli chodzi o oświetlenie. Zostało docenione to, że ich odkrycia, ich wynalazki zaowocowały czymś, co rewolucjonizuje nasze życie codzienne, życie całego świata, bo diody są wszędzie.

Jak by ich pani profesor określiła, jakiego typu to są naukowcy?

Mamy wielu kolegów w Japonii. Lubimy ich niezmiernie. Lubimy ich za to, że rozumują niezwykle precyzyjnie, w prostych słowach potrafią przekazać skomplikowane wyniki naukowe, są niezwykle praktyczni, a jednocześnie dowcipni, bardzo mili. Mamy z nimi niezwykle dobry kontakt, nie tylko naukowy, ale również koleżeński. Bardzo nam pasują. Może łączy nas azotek galu, mamy wiele wspólnych tematów.

Dlaczego im akurat się udało? Mam na myśli nie samą nagrodę, ale fakt, że rzeczywiście doprowadzili do powstania tych niebieskich diod?

Azotek galu jest bardzo tajemniczym kryształem, to półprzewodnik znany od dawna, ale wymagający trików, głębokiego rozumienia jego natury. Tu chcę powiedzieć o dwóch bardzo ważnych aspektach.

Pierwszym jest wyhodowanie materiału, który mógłby się do czegokolwiek nadawać. Jako półprzewodnik musi spełniać wysokie kryteria, musi być czysty, zawierać mało defektów strukturalnych, musi być odpowiedniej wielkości, żeby można było go stosować. Azotek galu nie poddawał się jednak żadnym metodom technologicznym, do dziś nie można go stopić, w wysokiej temperaturze się rozkłada, potrzebne jest ogromne ciśnienie. Stąd właśnie udział naszego instytutu w tych badaniach. Oni jednak wpadli na pomysł, jak zbudować cienkie warstwy azotku galu na podłożach szafirowych, kompletnie niepasujących do tego kryształu, ale w taki sposób, by nadawały się do tych zastosowań. Odkryli również, że mimo ogromnej liczby defektów, które te warstwy zawierały, i tak jego natura jest tak cudowna, że potrafi emitować światło niezwykle efektywnie.

To był jeden bardzo ważny wynalazek: jak zrobić te warstwy, by mimo defektów nadawały się do produkcji tych diod.

Drugi to odkrycie, jak spowodować, by azotek galu miał tak zwany typ p przewodnictwa elektrycznego. Polega to na tym, że do kryształu trzeba wprowadzić domieszki, które spowodują brak elektronów w pewnych miejscach, powstanie tak zwanych dziur. Bardzo długo to się nie udawało. W końcu profesor Akasaki wraz z Hiroshi Amano odkryli, że jak się zbombarduje azotek galu elektronami, to zaczynają się w nim te dziury pojawiać. Okazało się, że wszechobecny wodór, wnikając do kryształu, uniemożliwia pojawienie się tych dziur i dopiero trzeba go stamtąd wygonić. Po raz pierwszy zrobili to, bombardując elektronami w mikroskopie elektronowym. Nakamura wpadł natomiast na pomysł, że trzeba ten materiał wygrzać w wysokiej temperaturze. Oczywiście teraz to się wydaje proste, ale przez długie lata tego typu p nie dało się uzyskać. A to warunek budowy diody, w szczególności diody elektroluminescencyjnej...

Bo tam potrzebne są dwie warstwy: typu p i typu n. Ta warstwa typu n jest łatwiejsza do wytłumaczenia, bo tam jest po prostu za dużo elektronów.

To jest związane z kolei z tym, że azotek galu lubi mieć domieszkę tlenu, która jest donorem, czyli daje elektrony. Łatwo jest też wprowadzić domieszkę krzemu, która też daje elektrony. To odbywa się bez przeszkód fizycznych. Natomiast po to, by otrzymać dziury, trzeba wprowadzić magnez, który ma mniej elektronów niż gal, w związku z czym część z nich zabiera - i powstają dziury. Niestety wdaje się wodór, który te dziury zatyka i trzeba go wygnać. Nasi nobliści odkryli, jaki technologiczny trik zastosować, by azotek galu zaczął przewodzić dziurowo. To umożliwiło konstrukcję diod.

Można w tym widzieć jednak dużo szczęścia, bo przecież włożyli to wszystko pod mikroskop elektronowy, by obserwować, co tam się dzieje, a nie po to, by to zjawisko wywołać.

Oczywiście był to rodzaj przypadku. Sami też tak zresztą o tym mówią. Przy czym przypadek to zwykle jest dobrze poinformowana intuicja. A potem trzeba było wpaść na pomysł, by ten kryształ ponownie zmierzyć pod względem własności elektrycznych po obejrzeniu pod mikroskopem. Być może przeczuwali, że energia elektronów coś ważnego w tych kryształach zrobiła...

Pani profesor wspomniała, że oni hodowali ten kryształ na podłożu szafirowym. Polska metoda jest inna, nie stosuje się tego podłoża.

Myśmy w latach 90. w naszym instytucie, który - jak sama nazwa wskazuje - specjalizuje się w wysokich ciśnieniach, wykonali kryształy "wolno stojące", takie, jakimi kryształy półprzewodników powinny być. Na przykład krzemowe kryształy bez żadnych podłoży. I myśmy zbudowali kryształy azotku galu, stosując wysokie ciśnienia azotu, 10 000 atmosfer. I te kryształy od razu pod względem jakości były najlepsze na świecie. Miały cudowne zupełnie własności strukturalne, brak defektów, brak dyslokacji. Bardzo się te kryształy wszystkim podobały i w świecie półprzewodników azotkowych zaczęliśmy być znani. Potem powoli zbudowaliśmy w naszym instytucie całą linię, całą infrastrukturę do budowy diod laserowych. Nie mieliśmy takiego zaplecza technicznego, by wtedy na taką skalę rywalizować z naszymi japońskimi kolegami. Musieliśmy wszystko zbudować od początku.

To był wtedy taki wyścig o to, kto pierwszy wyhoduje kurę znoszącą złote jaja, bo wiadomo było, że jeśli to się uda, to zastosowania będą bardzo liczne. Ta historia od razu zwiastowała wielkie pieniądze. I im się to udało...

Nakamura od razu pracował w firmie Nichia Chemical Industries, potem włączyły się w to koncerny Sony i Toyoda Gosei. To są jednak możliwości nieporównanie większe, niż były wtedy w Polsce. W naszym instytucie nie mieliśmy urządzeń do epitaksji, czyli osadzania cienkich warstw, a to jest warunek konieczny do wykonywania diod - zwykłych, za które koledzy dostali nagrodę Nobla, czy laserowych, które możemy robić teraz. To wymagało wieloletnich inwestycji, nakładów, musieliśmy te technologie zbudować w naszym instytucie od początku. Natomiast kryształy, które wtedy zrobiliśmy - najlepsze na świecie - dały nam odpowiednie podstawy. I cały czas nie jesteśmy daleko w tyle za kolegami z Japonii, nawet w dziedzinie laserów, które są jeszcze bardziej wymagające niż diody.

Jak dalej te badania będą prowadzone? Czego można się w tej dziedzinie spodziewać? Oprócz upowszechnienia tej technologii, choćby oświetleniowej, czy ekranów LED-owych. Czego można spodziewać się także w Polsce?

Azotek galu kryje w sobie ogromny potencjał nie tylko w diodach świecących. W tej chwili największym perspektywicznym zastosowaniem są tranzystory dużej mocy. Azotek galu wytrzymuje ogromne moce w konwerterach, inwerterach, niezbędnych w elektrowniach czy w samochodach. Wiele zastosowań rysuje się nie tylko na polach optoelektronicznych - również elektronicznych. Myślimy, że uda się nasz potencjał skonsolidować, bo w Polsce musimy pracować razem - oddzielnie jesteśmy zbyt słabi, by konkurować z Sony. To jest dość oczywiste.