Инновационный гнев самурая

Ирик Имамутдинов
13 июля 2015, 00:00

Разговор с лауреатом Нобелевской премии по физике 2014 года и премии «Глобальная энергия» 2015 года Сюдзи Накамурой об особенностях провинциальной жизни изобретателя, упорстве и одинокой судьбе инженера-инноватора, вознесших его на вершины научной славы

Изобретение Сюдзи Накамуры привело к революции в оптоэлектронике. Двадцать два года назад в Японии он, инженер провинциальной семейной компании, известной своими покрытиями для ламп и кинескопов, продемонстрировал первые яркие светодиоды синего свечения. В комбинации с ранее разработанными красными и зелеными светодиодами или при использовании со специальными люминофорами они позволили создать осветительные приборы, свет которых воспринимается человеком как белый. Без синих светодиодов не появились бы экраны планшетов, смартфонов, плоских телевизоров и ноутбуков. Эволюция светотехники заключалась в изобретении все более ярких и эффективных источников света; сегодня миниатюрные светодиодные лампы оказались на самом пике энергоэффективности: благодаря изобретению Накамуры они уже потребляют раз в десять меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания. Если бы весь мир перешел на светодиодное освещение прямо сейчас, человечество могло бы сэкономить к 2035 году до 30 трлн кВт∙ч электроэнергии, а ежегодная экономия по миру составила бы примерно столько электроэнергии, сколько ее вырабатывают сейчас Россия и Германия, вместе взятые. Пока показатели эффективности коммерческих светодиодов примерно вдвое ниже, чем их продвинутых лабораторных образцов, и они значительно дороже традиционных, но Накамура уверен: в ближайшие три-пять лет светодиодные лампы будут стоить как лампы накаливания с аналогичным потреблением, а то и меньше. И этим преимущества светодиодов не исчерпываются: их отличает эксплуатационная долговечность и значительно более высокая экологичность, особенно сравнительно с люминесцентными лампами. А в недалеком будущем, говорит ученый, мы увидим еще более впечатляющие результаты.

Сюдзи Накамура — человек известный, обласканный премиями. В 2006 году он получил Millennium Technology Prize финской Академии технологий, равную миллиону евро, за создание новых источников света. В прошлом году, уже как гражданин США, вместе с двумя японскими исследователями, Исаму Акасаки, Хироси Амано, удостоился нобелевского лауреатства. О самом изобретении Накамуры написаны десятки статей в научно-популярных и специализированных журналах, посвященных оптоэлектронной тематике. Поэтому, встретившись с Сюдзи Накамурой накануне церемонии награждения еще одной высокой технологической премией — российской «Глобальной энергией», состоявшейся в июне в рамках Петербургского экономического форума, мы решили поговорить о малоизвестных страницах его жизни.

Сюдзи Накамура не собирается почивать на лаврах и готовит очередную революцию в освещении — лазерную zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzsamurai2.jpg
Сюдзи Накамура не собирается почивать на лаврах и готовит очередную революцию в освещении — лазерную

 

— Господин Накамура, насколько я знаю, существовала вполне реальная возможность, что вместо теперешних высоких научных наград вы могли радоваться сейчас, скажем, удачному рыбацкому улову.

— Да, это так. Я родился в глухом провинциальном местечке в префектуре Эхиме на острове Сикоку, в маленьком поселке на берегу Тихого океана, у жителей которого, кроме выращивания овощей и рыболовства, не было других возможностей для заработка. Исключение составлял разве что мой отец: он служил электротехником на подстанции. Здесь работала единственная школа-девятилетка, где можно было получить обязательное в Японии начальное и среднее образование. Но старшей школы, которая бы открывала путь в университет, в поселке не было. К тому же такие учреждения платные, поэтому мое образование, вполне возможно, могло бы закончиться досрочно, останься я там; по крайней мере, мои родители сначала всерьез поговаривали о том, что после окончания девятого класса меня сразу отправят работать. За моей учебой никто особо не следил, и мы с друзьями зубрежке предпочитали игры на пляже.  

— Как же вам удалось избежать карьеры рыбака?

— Энергетическая компания, в которой работал отец, повысив его в должности, перевела в Токусиму, столицу другой префектуры на Сикоку. Так как до этого я толком не учился, то после переезда сюда мне пришлось уже с усердием взяться за дело, и, надо отдать должное моему отцу, увидев мой интерес к учебе, он начал заниматься со мной математикой, учил решать задачи. Вообще, для науки это очень полезная и важная штука — математика.

— А когда вы поняли, что вам интересна сама научная деятельность?

— Сейчас это кажется забавным, но желание — не осознанный интерес к науке, конечно, а именно желание — стать ученым, причем почти в конкретном направлении — конструировании роботов, появилось у меня лет в десять-двенадцать. Тогда я, как и многие мои ровесники, гонялся за манга, это такие японские комиксы с историями про Астробоя, робота-мальчика, которого сконструировал ученый Тэмма, потерявший сына. Потом робот оказывается у доброго ученого Отяномицу, который создал для андроида семью. Они вместе борются с кознями плохих людей и злыми роботами. Эти комиксы, научно-популярные журналы, поощряемые правительством, как мне кажется, стали своеобразной питательной средой для моего поколения — тех, кто родился в 1950-е годы, и того технологического рывка, который совершила Япония в последней четверти прошлого века. Роботы в этих манга появлялись не каким-то волшебным образом, а создавались учеными, отец объяснил мне, что их можно научиться конструировать. Наверное, благодаря тем детским впечатлениям, я и до сих пор задаюсь вопросами, а что такое мироздание, как зародилась жизнь, и еще не утратил любопытства.

— Но вместо того, чтобы заняться изучением устройства мироздания, вы поступили на инженерный факультет — пошли по стопам отца-электротехника?

— Когда я учился в старшей школе, мы в семье решили, что я пойду изучать физику. Но в Японии, чтобы попасть в достойный университет, нужно иметь очень хорошие оценки по всем предметам, и их получение часто становится единственной целью всего обучения подростков в старшей школе. Если оценки набираются средние, то на поступление в престижный университет рассчитывать не приходится, это был как раз мой случай: я хорошо успевал по естествознанию и математике и ничего не смыслил в языках и литературе. Один из моих друзей предложил мне пойти с ним на инженерный факультет Университета Токусимы, здесь требовались высокие оценки как раз по точным дисциплинам, а высокая успеваемость по всем другим была необязательной. Но факультета, где я мог бы углубленно изучать физику, не было.

— Как же вы тогда начали заниматься полупроводниками?

— Я все равно хотел заниматься физикой, поэтому в качестве профильной выбрал специализацию инженера-электронщика, связанную с приборами для автоматизации производства, полагая, что это будет ближе к точным наукам, и на последнем курсе бакалавриата для дипломной работы взял именно физику полупроводниковых приборов. Мне хотелось продолжить заниматься научной деятельностью, я окончил магистратуру, но программу написания кандидатской диссертации вуз не предлагал, и мне пришлось уйти из университета. Другое желание — пойти работать в научно-исследовательское подразделение какой-нибудь большой престижной фирмы, как Sony, Toshiba, Panasonic, — меня пугало. Я, как провинциал, побаивался переезжать куда-то без гарантий трудоустройства. К тому же я уже был женат и у меня был ребенок. Но в Токусиме не находилось никакой работы с полупроводниками, с физикой, вообще ни с чем, что бы меня интересовало. Я обратился за помощью к научному руководителю, и тот пообещал порекомендовать меня как способного выпускника боссу местной химической компании, но предупредил, что там придется забыть все, чему он же меня учил в университете. Я обрадовался: это совершенно неважно, раз мне нужна работа, я всему научусь. В итоге я устроился в крошечный исследовательский отдел небольшой тогда семейной компании Nichia Chemical Industries.

— Известно, что в конце 1970-х она занималась люминофорами. Как получилось, что там заинтересовались полупроводниковыми кристаллами?

— Действительно, когда я пришел в фирму, сто процентов ее продукции составляла специальная пудра, которой потом покрывали поверхности флуоресцентных ламп и электронно-лучевых трубок, я же попал в исследовательскую группу, где кроме меня работали еще три человека. Мне сначала поручили найти методы получения металлического галлия высокой чистоты. Я с заданием справился. Затем поручили выращивание монокристаллов фосфида индия для продажи электронным фирмам, так как этот материал применяется в качестве подложек для выращивания других полупроводниковых структур, в электронных микросхемах, а позже и в оптоволоконной технике.

Как приготовить полупроводниковый слоеный пирог для синего светодиода. Толщина самого тонкого коржа — 20 ангстрем zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzsamurai_shema1.jpg
Как приготовить полупроводниковый слоеный пирог для синего светодиода. Толщина самого тонкого коржа — 20 ангстрем

Я принялся за дело серьезно и понял из статей в научных журналах, что во всем мире крупные компании практикуют вполне продвинутые методы выращивания фосфида индия. Я и решил: зачем разрабатывать то, что уже делается большими производителями? И через два месяца после прихода в фирму спросил своего босса, почему бы не подумать о начале разработки синих светодиодов, которых тогда вообще на рынке не было, что, на мой взгляд, могло принести больший успех компании. Мой начальник закричал, что я ненормальный, что Nichia маленькая компания с крохотным исследовательским бюджетом, умных людей у нас для такой работы нет, и, очевидно, мой приход их числа не увеличил, а потому восхититься моим предложением он не может. Отчасти он был, конечно, прав. Во всех странах десяток крупнейших компаний и университетов тогда вели активные исследования по разработке синего светодиода. Работали большие группы ученых по десять человек в Стэнфорде, Массачусетсе, других ведущих университетах мира. В эти проекты вливались десятки миллионов долларов. Пришлось мне заняться фосфидом индия и на время отказаться от идеи синего светодиода.

— И какова судьба той вашей разработки?  

— Весьма печальная. За разработкой технологии получения кристалла я провел около трех лет, и когда работа была закончена, выяснилось, что большие компании, прежде всего Sumitomo Electric, нас окончательно задавили. Потом мне велели переключиться на арсенид галлия — еще три года с тем же результатом. В 1985-м настал черед эпитаксиальных пленок арсенида алюминия-галлия для красных и инфракрасных светодиодов, получились пленки отличного качества, их покупали, но раскрутить мировые продажи в Nichia так и не смогли. Toshiba нас тогда уже перегнала, и мы не могли составить этому гиганту сколько-нибудь серьезной конкуренции, продавая свои кристаллы от силы на десятки тысяч долларов в месяц. Если вы видели историю компании, то должны были заметить, что слова «полупроводники» и «светодиод» в качестве продукции компании в ее летописи до 1993 года вообще не встречаются.

— Подозреваю, что вину за коммерческий неуспех созданных вами продуктов пытались возложить на вас, на разработчика. Но при этом вы, судя по вашей официальной биографии, все же поехали учиться во Флориду как работник Nichia.

— Точно, так и было. За десять лет в Nichia я разработал для компании три продукта, от которых, как выяснилось, было мало коммерческого проку. Маркетологи каждый раз прогнозировали спрос так, как будто вокруг не было более сильных разработчиков, не прислушиваясь, в частности, к моему мнению, мнению сотрудника R&D-департамента. Однажды ко мне в лабораторию явились мои начальники и принялись меня ругать, говоря, что разработанные мною материалы не приносят дохода, а непосредственно на исследовательскую деятельность ушло слишком много денег. Мои отношения с работодателями, не дававшими мне как исследователю никакой свободы, и без того напряженные, из-за чего зачастую моим стимулом к работе был лишь гнев, достигли апогея. Мне было велено покинуть компанию.

Терять мне было нечего, я на адреналине помчался к президенту и основателю Nichia Chemical Hoбуа Огаве, тогда ему было 76 лет. Прорвавшись к нему в кабинет, я заявил, что, прежде чем уйти, требую, чтобы мне дали поработать над синим светодиодом, что я потратил десять лет, делая то, что мне приказывали, в конце концов, я хочу сделать то, что действительно считаю правильным. На это Огава вдруг ответил коротким: «Хорошо». Я сказал, что хочу пять миллионов долларов на оборудование и проведение исследований, и оторопел — большой босс опять кивнул в знак согласия. И тогда я решился и попросил: знаете, я хотел постажироваться год в Университете штата Флорида, посмотреть, что наработано в мире в этой области. Он посмотрел на меня и сказал лаконичное «принято». Весь разговор занял около двух минут!

— Что же было причиной такой его уступчивости?

— Hoбуа Огава говорил мне потом, что сам когда-то начинал как исследователь, его интересовали различные технологии, и основав компанию, он организовал департамент по науке и разработкам, куда, по его словам, направлял самых перспективных своих специалистов. Три разработанных мною продукта его впечатлили, к тому же он оказался предпринимателем с очень хорошим чутьем.

— Вы окончательно решили, что непременно будете создавать яркий синий светодиод, работая в Америке?

— Вовсе нет. Конечно, поработав год приглашенным исследователем в американском университете, я смог лучше разобраться в мировых тенденциях и видел, что многие такой светодиод пытались разработать. Все исследования тогда велись вокруг двух материалов, которые в теории виделись подходящими для его изготовления, причем селенид цинка (ZnSe) считался намного более перспективным, чем нитрид галлия (GaN), так как содержал на порядки меньше так называемых дислокаций, дефектов, мешавших, если говорить упрощенно, рекомбинации электронов и дырок, в результате которой и происходит излучение.

Один из вариантов получения белого света с синим светодиодом zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzsamurai_shema2.jpg
Один из вариантов получения белого света с синим светодиодом

Но меня больше заботило другое: вырвавшись, как казалось, на американские просторы свободного научного творчества, я тем не менее был унижен — мне было отказано в праве называться ученым из-за моего формально низкого научного статуса. В Nichia зачастую я работал один, поэтому волей-неволей стал универсалом: не говоря уже о физике полупроводников, неплохо разбирался в химии, знал оборудование как инженер и сам улучшал работу реакторов для роста кристаллов как конструктор. Мой опыт и знания в университете уважали, но тем не менее поставили работать вместе со студентами и аспирантами на уровне лаборанта, так как у меня не было научного звания, я не имел ни одной научной публикации, кроме патентных заявок, написанных на японском языке. В США это означало, что я могу рассматриваться только как помощник исследователя и мое имя не появится ни в публикациях, ни в патентах. Я был расстроен и разгневан — столько уметь и знать и оказаться в таком положении! — и твердо решил любым способом заработать ученую степень. В Японии можно было получить степень доктора философии после публикации пяти статей в научных журналах без защиты диссертации в университете. Я решил заняться нитридом галлия, просто потому, что в этой сфере мало кто работал и было мало публикаций.

— Постойте, а как же научное предвидение, чутье гения?

— Ничего этого в помине не было. Чистая конъюнктура и мое тщеславие предопределили отказ от мейнстрима. А тогда считалось, что перспектива есть только у ZnSe, у нитрида же галлия будущего нет, и я понимал, что опубликовать статьи об исследованиях в малопривлекательной для других области будет намного проще, чем по теме, уже окученной сотнями ученых.

Приведу такой пример: через три года после американской командировки, в 1992 году, когда я был близок к созданию своего коммерческого светодиода, я принимал участие в конференции Общества прикладной физики. Здесь семинар по ZnSe посещали почти 500 специалистов, а по GaN - всего пять, включая трех будущих нобелевских лауреатов: профессора Исаму Акасаки, его аспиранта Хироси Амано и меня.

 

Вернувшись в Японию, из пяти выделенных Nichia миллионов два я потратил на покупку оборудования и принялся за работу с «неперспективным» материалом. Причем по-прежнему не думал, что на основе этих исследований смогу разработать синий светодиод, просто мечтал, что, улучшая свойства нитрида галлия, буду публиковать одну научную статью за другой, после чего уйду из компании. Я учился выращивать приличные пленки GaN, тратя все больше денег фирмы. Каждое утро я немножечко подправлял что-то в своей технике и опять выращивал кристаллы. И так на протяжении полутора лет — без перерыва, без воскресений, за это время у меня был один выходной — на Новый год.

— И как на это реагировала ваша жена?

— У японцев это без проблем: самурай сидит за столом — жена его слушает стоя. На самом деле самурай — она. Свой первый длительно работающий светодиод (до этого они перегревались за минуты) я собрал 27 марта 1991 года — оставил его включенным, уходя из лаборатории, а утром он еще работал! Я улучшал технологии еще два с половиной года, прежде чем Nichia, ошеломив всех — ведь о ее и моем существовании в мире оптоэлектроники даже в Японии мало кто догадывался, в ноябре 1993 года сделала заявление о готовности выпустить коммерческий синий светодиод.

— Начальники на этот раз оценили важность вашего открытия?

— На тот момент президентом компании уже был зять Hoбуа Огавы. И когда разработка была закончена, я пришел к нему и сказал, что неплохо бы выпустить пресс-релиз, так как это открытие вообще-то тянет на мировую сенсацию. Он важности моего изобретения не понимал, заартачился, начал говорить, что это совершенно не нужно, что я, наверное, чего-то не учел. Разозлившись, я вышел, хлопнув дверью. На мое счастье к этому времени компания наняла еще одного крупного специалиста в области светодиодов, и на пресс-релизе настоял уже он, заявив, что это прекрасное, исключительной важности изобретение. До того на мои публикации никто не обращал никакого внимания, а тут пресса начала превозносить меня до небес, нас приглашали показать свои достижения в крупные компании и университеты, началась настоящая вакханалия успеха, я стал едва ли не божеством научного мира в Японии. А вскоре получил в Университете Токусимы и долгожданную степень доктора технических наук. Но из компании сразу не ушел, в том числе из-за этой шумихи, я ведь каждый год до отъезда получал корпоративные и национальные призы и премии. К тому же я увлекся открывшимися перспективами совершенствования светодиодов на нитриде галлия, сделал яркий зеленый, запускал их массовое производство, создал первый в мире синий светодиодный лазер, применив люминофор, в котором Nichia была бесспорным лидером, выпустил первый белый лазер. Все это — за пять лет.

— И все же уехали из Японии.

— Знаете, все-таки американская мечта меня манила. Это даже не деньги — хотя и они тоже, конечно: несмотря на то, что я это все изобрел, у меня зарплата оставалась маленькой даже относительно американской профессуры. И главное, мне стало скучно, я все сделал, мне казалось, и сейчас кажется, что Япония ограничивала мою творческую свободу. Мне хотелось нового, интересного. А в Японии этого не было, и в 1999 году я переехал в Штаты.

— Господин Накамура, пишут, что за изобретение синего светодиода вы получили в компании что-то около 200 долларов, а после смогли отсудить у Nichia миллионы.

— Я тоже читал это, на самом деле столько я получал за каждую патентую заявку, но таких-то у меня только по нитриду галлия и только с 1990-го по 1993 год было не менее сотни. Конечно, по сравнению с ростом доходов компании это все равно ничтожная сумма (с 1993-го по 2003 год доходы Nichia выросли в девять раз, с 20 млрд до 180 млрд иен, с 1997 года компания продавали до 20 млн синих и зеленых, а позже и белых — также накамуровских — светодиодов в месяц, продажи синих светодиодов только в 2000 году без учета продаж лицензий составили 200 млн долларов. — «Эксперт»).

В США я остановил свой выбор на Университете Санта-Барбары в Калифорнии, и когда я туда устраивался, в Nichia попросили меня подписать дополнительные договоры. Юрист университета посоветовал мне этого не делать без разрешения его отдела. Руководству Nichia это не понравилось, и в 2000 году оно завело против меня дело о разглашении промышленных секретов (одним из спонсоров созданной тогда кафедры Solid State Lighting and Display, где Накамура стал профессором, был быстро растущий тогда конкурент Nichia американская компания Cree. — «Эксперт»). Я разозлился ужасно: благодаря мне компания стала одной из самых прибыльных в Японии, я же им все оставил. Подал встречный иск и выиграл его: оказалось, что в Японии, если изобретение запатентовано на имя работника, нанятого на тот момент компанией, то патент принадлежит работнику, причем до тех пор, пока не подписан дополнительный договор, под управлением в Nichia оказалось почти 500 патентов, они все были мои. В итоге я отсудил у них беспрецедентные для Японии восемь с лишним миллионов долларов.

— Какие достижения вы считаете главными на новом этапе жизни?

— Что касается моей научной работы в Америке, это, безусловно, исследования в области нитрид-галлиевых подложек для роста гетероструктур. Тот же нитрид галлия обычно выращивают на сапфире или карбиде кремния, как когда-то это делал и я с первыми синими светодиодами. В этом случае на выходе — большое количество бракованных кристаллов, но если пленку GaN растить на нитрид-галлиевой же подложке, то можно получить безупречно чистые кристаллы. Для исследований в этой области и коммерциализации их результатов мы вместе с известным оптоэлектронным специалистом профессором Стивеном ДенБаарсом в 2008 году основали в Санта-Барбаре компанию Soraa с венчурным капиталом 100 миллионов долларов, и у нас уже более 90 патентов. Сейчас мы занимаемся третьим поколением GaN-на-GaN, из которых создаем приборы — светодиоды или светодиодные лазеры, намного более эффективные и чистые по цвету, чем те, которые выпускаются другими производителями. Только за последний год эффективность наших светодиодов на этом материале выросла на треть, а их КПД достиг 75 процентов — в мире это лучший отраслевой показатель! Еще одно направление нашей деятельности — осветительные приборы на базе синего лазерного диода с нитрид-галлиевой подложкой. Производители уже используют такие лазеры в фарах автомобилей премиум-класса, они обеспечивают дальность света до километра, не ослепляя при этом водителей встречных машин.

— А что нас ждет в перспективе?

— Самая интересная работа только разворачивается. В будущем по эффективности лазеры GaN-на-GaN должны в тысячу раз превзойти ставшие уже традиционными синие светодиоды. Если взять, к примеру, современный источник белого света со светодиодами на сапфировой подложке, по яркости эквивалентный 60-ваттной лампе накаливания, то площадь поверхности его трех десятков светодиодов, излучающих свет такой интенсивности, равна 28 квадратным миллиметрам. Немного? Да. Но столько же света даст всего один GaN-на-GaN-лазер — меньший по размеру в сто раз!