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La fisica dei semiconduttori conquista un altro premio Nobel

Il Nobel 2014 per la Fisica va a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura per i loro fondamentali contributi allo sviluppo dei semiconduttori nitruri. Questi semiconduttori (Nitruro di Gallio, GaN, e relative leghe ternarie con Alluminio e Indio) posseggono una energia di banda proibita che consente emissione di luce variabile fra infrarosso e l’ultravioletto, il che apre le porte a innumerevoli applicazioni. Sono due tuttavia quelle che hanno decretato il grande successo di questa nuova generazione di semiconduttori: la realizzazione dei LED bianchi e la realizzazione del laser blu.

I LED bianchi costituiscono una sorgente di luce a grande risparmio di energia e trovano oggi impiego negli schermi di telefoni cellulari, computer, TV nonché come lampade per illuminazione domestica, autoveicoli ecc. I primi laser blu a nitruri sono stati realizzati alla fine degli anni ’90 e in breve hanno raggiunto potenze ed affidabilità sufficienti a lanciare la tecnologia Blue-Ray Disc con la quale si possono archiviare 25 GByte su supporti identici a quelli dei CD (700 MByte) e DVD (4.7 GByte).
Queste sono state ricadute tecnologiche di portata storica, e sicuramente hanno giocato un ruolo nella attribuzione del Nobel ai Proff. Akasaki, Amano e Nakamura, ma non vanno dimenticate numerose altre applicazioni, quali ad esempio transistor per alte potenze a basso consumo di energia che trovano impiego nei ponti radio o in elettronica per satelliti. Quest’ultimo impiego anche dovuto al fatto che i nitruri resistono molto meglio del silicio alle forti dosi di radiazioni cosmiche cui i satelliti in orbita geo-stazionaria sono costantemente sottoposti.
L’avanzamento della tecnologia a semiconduttori nitruri è stata per molto tempo impedita da tre fattori: i) mancanza di monocristalli; ii) impossibilità di drogare il materiale di tipo P; iii) alta densità di difetti strutturali che riducevano drasticamente i tempi di vita dei diodi elettro-luminescenti e laser. Alla fine degli anni 80’ Akasaki e Amano riescono a depositare uno strato sottile di GaN di alta qualità su un substrato di zaffiro (-Al2O3) utilizzando la tecnica di epitassia da fase vapore (MOVPE) e realizzando un processo multi-step che includeva la deposizione di uno strato buffer iniziale a bassa temperatura seguito dalla deposizione dello strato principale a temperature > 1000 °C. All’inizio degli anni ‘90 riuscirono a ottenere conducibilità di tipo P drogando con Magnesio e attivando il drogante mediante irraggiamento di elettroni. A questo punto entra in gioco il contributo determinante di Nakamura che, dapprima riesce ad avere lo stesso grado di attivazione del Magnesio con un processo termico (quindi compatibile con la processatura standard di semiconduttori), e in seguito riesce ad abbattere la densità di difetti cristallografici utilizzando l’espediente della crescita epitassiale laterale.
Ovviamente allo sviluppo dei dispositivi che oggi conosciamo hanno contribuito centinaia di ricercatori di tutto il mondo (anche a Parma presso IMEM-CNR nel periodo 1996-2003 ci fu un gruppo attivo nella crescita epitassiale di Nitruri mentre al Dipartimento di Fisica fino al 2009 il gruppo del Prof. Manfredi si occupò specificatamente dello studio dei difetti e dell’affidabilità di diodi elettroluminescenti a InGaN). E’ stato necessario comprendere a fondo la fisica di questi materiali, in particolare lo shift di lunghezza d’onda dovuto a effetto Stark e ai campi piezoelettrici intrinseci, ma è indubbio che senza le scoperte fatte da Akasaki, Amano e Nakamura oltre vent’anni or sono dovremmo ancora utilizzare lampade a fluorescenza, non avremmo i touch screen e la definizione di immagine che oggi tutti apprezziamo. Il premio Nobel è il giusto riconoscimento al loro mix di fisica dello stato solido e di tecnologia che ha portato alla “invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources”, come si legge nella motivazione al premio.

Press release da nobelprize.org: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/press.html

Per chi vuole approfondire:

H. Amano, I. Akasaki, K. Hiramatsu, N. Koide, N. Sawaki, “EFFECTS OF THE BUFFER LAYER IN METALORGANIC VAPOR-PHASE EPITAXY OF GaN ON SAPPHIRE SUBSTRATE, Thin Sol. Films 163 (1988) 415 
H. Amano, M. Kitoh, K. Hiramatsu, I. Akasaki “GROWTH AND LUMINESCENCE PROPERTIES OF Mg-DOPED GaN PREPARED BY MOVPE”, J. Electrochem. Soc. 137 (1990) 1639
S. Nakamura “GaN GROWTH USING GaN BUFFER LAYER”, Japan. J. Appl. Phys. 2-Letters  30 (1991)  L1705
S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh “HIGH-POWER GaN P-N-JUNCTION BLUE-LIGHT-EMITTING DIODES”, Japan. J. Appl. Phys. 2-Letters  30 (1991)  L1998
 

 

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Pubblicato Giovedì, 9 Ottobre, 2014 - 11:58 | ultima modifica Lunedì, 20 Ottobre, 2014 - 09:37