Příběh objevu modré LED diody a letošního nositele Nobelovy ceny za fyziku Shujiho Nakamury je ukázkou neuvěřitelné houževnatosti, vytrvalosti i ctižádosti.
Když v roce 1999 rodina Nakamurových nastupovala v Japonsku do letadla směr USA, jejich odlet byl předmětem zájmu, který by slušel hlavě státu. Kromě rodiny a známých se s nimi z letištní haly loučilo i 5 televizních štábů, na letišti v USA na ně čekal další japonský novinář. Tak země, ve které jsou vědci a inženýři hrdinové, prožívala v roce 1999 odchod jednoho z těch nejznámějších do výnosnějšího exilu.
Shuji Nakamura byl v té době v Japonsku už mediální hvězdou. V roce 1993 tento výzkumník z malé firmy vyfoukl rybník slavnější konkurenci, když představil skutečně výkonnou modrou diodu a výrazně přispěl k velké revoluci v osvětlovací technice. Jím vyvinutá technologie se stala hlavní metodou pro výrobu LED světel. Nobelův výbor ho proto učinil jednoho ze tří nositelů nejslavnější vědecké ceny v oboru fyzika pro rok 2014. Je to zasloužený konec jednoho neuvěřitelného příběhu.
SÁM A SÁM
Nakamurova mladická léta o jeho budoucí slávě nic nenaznačovala. Vystudoval elektrotechnickou fakultu na malé japonské univerzitě v Tokušimě na Šikoku, nejmenším z velkých ostrovů japonského souostroví. Nakamura si poté chtěl najít místo ve velké korporaci, ale jeden z jeho profesorů mu myšlenku rozmluvil: stal by se podle něj „dělníkem vědy“ s malou nadějí na kariérní postup a platem, který by v drahých japonských konglomeracích nestačil ani na hypotéku na větší byt či rodinný dům. (Bylo to pro Nakamuru minimálně druhé zklamání v kariérní oblasti: původně chtěl být vědcem, ne inženýrem, ale neměl dost dobré známky.)
Nakamurova žena byla těhotná, a tak mladík volil vrabce v hrsti. Zůstal na Šikoku a sehnal si práci ve firmě Nichia, společnosti se zhruba 200 zaměstnanci a obratem v přepočtu kolem půl miliardy korun, která se specializovala na dodávky fosforových materiálů pro televizní obrazovky. Firma se pokoušela proniknout na další trh s materiály pro LED diody, proto sháněla někoho se specializací na elektroniku. (V té době se už vyráběly červené a zelené diody, které jsou známé od 60. let. Chyběla jen modrá.)
Bylo to dosti samotářské zaměstnání. Když odešel jeho kolega, celé oddělení výzkumu a vývoje se skládalo ze tří lidí. A jediný Nakamura měl elektrotechnické vysokoškolské vzdělání. Jako první úkol dostal přípravu výroby fosforových polovodičů pro červené a zelené LED (šlo o fosfid gallia čili GaP). Firma neměla peníze na rozdávání, a tak si Nakamura vybavení nemohl koupit, musel si ho sám vyrobit.
Fosforové polovodiče se vyrábějí ve vakuových komorách z materiálu ohřívaného na cca 1500 °C v přesně řízených procesech, se kterými je nutné mít určité zkušenosti. Nakamurovi to chvíli trvalo: v jeho laboratořích prý v té době několikrát za měsíc docházelo k výbuchům, když se fosfor ve vzorcích po prasknutí materiálu dostal do styku s kyslíkem. „Když se to stalo poprvé, přiběhli kolegové a ptali se: ‚Co se stalo? Nakamuro, žiješ?‘“ vzpomínal Nakamura pro časopis Scientific American. „Popáté nebo pošesté už se tím nevzrušovali.“
CHYTIT ZBYTEK SVĚTA
Výsledky „vývojové divize“ Nichia i přes Nakamurovu snahu nebyly světoborné. Jeho práce stačila na to, aby firma za tři roky měla stejně dobrý produkt jako konkurence. Ale nebyla lepší a na trhu příliš neprorazila.
V roce 1983 mělo obchodní oddělení nápad, že by se produktová řada mohla dále rozšířit, a Nakamura dostal za úkol připravit pro výrobu další materiály pro výrobu LED, ovšem místo sloučenin na bázi fosforu šlo o polovodiče s galliem a arzenem. Znovu začínal prakticky od nuly, tentokrát byla situace obtížnější o to, že z pece se při nehodách uvolňovaly jedovaté arzenové sloučeniny. Nakamura po sobě musel uklízet v hermetickém obleku a s dýchacím přístrojem. Výsledek přitom byl stejný jako předtím: Nichia dotáhla konkurenci, ale náskok nezískala. Trhu vládly větší firmy.
O další dva roky později, roku 1985, se společnost rozhodla vstoupit přímo na trh s diodami jako takovými. Nakamura se znovu mohl učit, tentokrát metody výroby polovodičových součástek z roztavených materiálů na pevnou podložku (tzv. epitaxii z kapalné fáze). Musel připravit vše od vývoje materiálů, přípravu technologie až třeba po postup výrobní kontroly. V roce 1988 měla firma k dispozici červené a infračervené LEDky na světové úrovni – stejně jako více než desítka dalších společností.
Nakamura se v té době prý rozhodl, že Nichia by se měla soustředit na výrobky, ve kterých byla malá či žádná konkurence. A navrhl proto, že se pokusí vyrobit diodu, která na trhu nebyla – modrou. Jeho šéf zásadně nesouhlasil; modrá dioda by byla sice nepochybně terno, ale zároveň velké riziko.
Modré světlo se snažily velké společnosti i slavné univerzity vyrobit prakticky už od objevu červených LED v roce 1962. Ovšem sloučeniny, které se používaly k výrobě červených diod, se nepodařilo upravit tak, aby fungovaly i na „horním“ konci spektra, tedy v oblasti modrého světla.
BOUCHNUTÍ DO STOLU
I když se Nakamurův nápad šéfovi vůbec nezdál, výzkumník se nehodlal vzdát. „Byl jsem naštvaný. Chtěl jsem z Nichie odejít. Všechno mi bylo jedno,“ řekl pro Scientific American. Obešel svého nadřízeného, nakráčel do kanceláře generálního ředitele firmy Nobua Ogawy a přednesl mu své požadavky: chtěl na výzkum modré diody tři miliony dolarů a roční pracovní pobyt v USA, na floridské univerzitě, kde se chtěl naučit více o výrobě méně používaných polovodičů. Ogawa kupodivu souhlasil. (Sám byl v mladších letech průmyslovým vývojářem.) Nakamura brzy zamířil na Floridu, kde ho ovšem čekalo překvapení. Měl se tu naučit pracovat s metodou zvanou MOCVD, což je v podstatě „pec“ na tvorbu polovodičů z plynů. Bohužel profesor, který ho na Floridu přilákal, o své MOCVD stroje přišel – „vyfoukl“ mu je univerzitní rival. V laboratoři, kde měl Nakamura pracovat, zůstaly jen součástky pro výrobu další linky, ale tu musel někdo sestavit. A byl to Nakamura. 
Japonský odborník neměl doktorát ani publikace, a tak byl na Floridě považován spíše za technika než za výzkumníka. Sestavení MOCVD linky mu zabralo 10 měsíců (při 7denním pracovním týdnu), a získal při něm cenné zkušenosti. Za prvé poznal systém do posledního šroubku, a za druhé si uvědomil, že bez publikací ve vědeckých časopisech není nic.
V březnu 1989 se Nakamura vrátil do Japonska. Na začátku práce na diodě si musel vybrat, se kterou látkou zkusí štěstí. Favority měl v té době tři: selenid zinečnatý, karbid křemíku a nitrid gallitý (GaN). Výzkum na většině pracovišť se v té době soustředil na první zmíněnou sloučeninu, tedy selenid zinečnatý. Právě s ním pracovaly všechny velké výzkumné týmy i firmy, které se v té době ještě o modrou diodu snažily. Výsledky nebyly slavné (diody měly životnost řádově sekund či minut), ale týmů bylo na poli dost. Karbid křemíku (SiC) byl materiál, jehož elektroluminiscenční vlastnosti jsou známé od roku 1907, ale potenciál se nejevil až tolik slibný.
Poslední zmíněná látka, GaN, byla první, ze které se inženýři pokusili modrou diodu vyrobit, ale v 80. letech s ním téměř nikdo nepracoval. Z GaN se totiž nedařilo vyrobit jednu ze dvou nezbytných vrstev pro diodu (konkrétně p-typ), navíc se ho nedařilo vyrábět bez vad.
To ale začala měnit trpělivá práce pracoviště Nakamurových spolulaureátů Nobelovy ceny, Isamy Akasakiho a Hiroshiho Amana, kteří se GaN věnovali od konce 70. let. Jejich práce se kolegům a grantovým agenturám nezdála perspektivní, a tak na výzkum používali peníze určené na jiné projekty, přesto se jim v 80. letech podařilo najít způsob, jak překonat řadů problémy s GaN (třeba růst krystalů bez vad atp.). Když si Nakamura vybíral, rozhodující pro něj byly kromě Akasakiho a Amanových publikací i tvrdé lekce z předchozích let. Nechtěl přímo konkurovat gigantům v oboru, proto se pustil do práce s GaN.
NOVÉ VEDENÍ
Nichii zatím přebral Ogawův zeť, který v modré LEDce viděl jen mrhání prostředky. Nakamuru však tvrdohlavost nepřešla: opakovaně ignoroval rozhodnutí managementu, aby projekt zastavil. Porušoval firemní předpisy a své výsledky publikoval ve vědeckých časopisech, prý v naději, že vztek jeho šéfy přejde, když zjistí, že má na výsledky patenty. Upravil systém výroby polovodičů z plynu (jde o tzv. two-flow MOCVD) tak, že přidal k proudu plynu rovnoběžně s podložkou ještě proud plynu na ni kolmý. Ve výsledku to při správném nastavení výrazně snižuje množství vad v materiálu. (Jeho metoda byla levnější než metoda vyvinutá téměř ve stejné době zbylými dvěma nobelisty z letošního roku, Isamy Akasakiho a Hiroshiho Amana, a tak převládla.)
V roce 1992 měli v Nichii k dispozici prototyp modré diody, který byl zhruba 100krát jasnější než konkurence. Klíčové bylo vytvoření složitější struktury, kdy mezi dva typy GaN (p- a n-typ) byla vložena ještě vrstvička s příměsí india. Nichia tiše připravila výrobu a diodu k dokonalému překvapení světa představila v listopadu 1993.
Během dalších let firma dokázala několikanásobně zvýšit účinnost LEDek, představila první LEDku s bílým světlem (využívala tenký proužek fosforové sloučeniny, tzv. luminofor, která část modrého světla mění na světlo jiných barev) a uvedla levné modré lasery, které díky kratší vlnové délce umožnily vytvořit disky s vyšší datovou kapacitou (např. Blu-Ray). Nakamura laser představil v roce 1996 na konferenci v Berlíně, když ho použil jako ukazovátko při prezentaci.
TUČNÁ LÉTA
Nichia rostla. Během roku 1994 vyráběla milion diod měsíčně, v roce 1999 to bylo 30 milionů měsíčně. Počet zaměstnanců se za stejnou dobu více než zdvojnásobil a obrat se proti době, kdy Nakamura nastupoval, zhruba zdvacetinásobil. Z velké části to bylo právě díky LEDkám, ale Nakamurovy půtky s vedením pokračovaly. Společnost například Nakamuru chtěla jmenovat šéfem – a také jediným výzkumníkem – nově založeného Centra pro výzkum nitridů. Které ale nemělo mít na starosti další výzkum LED osvětlení, ale hledat nové využití pro GaN (třeba pro tranzistory). V podstatě ho tak odstavovala od dalšího vývoje LEDek.
Šlo mu i o finance. Nakamura za klíčové patenty získal prémii zhruba 180 dolarů (necelé 4000 korun). Tvrdí, že za působení v Nichii vydělával v průměru méně než manželka, která učila v mateřské školce. Firma přitom v té době ovládala 40 procent trhu s LEDkami – trhu, který měl objem cca 300 milionů dolarů (tj. 6 miliard korun) a rostl zhruba o 40 až 50 procent ročně. (V roce 2013 celkový trh s LED technologií dosáhl výše cca 25 mld. dolarů, tedy 500 miliard korun.)
Nakamura veřejně označil japonský systém odměn za komunistický a rozhodl se odejít. Chtěl odejít ke konkurenci, ale zkušenější kolega mu vysvětlil, že by se tím vystavoval nebezpečí žalob. Nakamurových 190 patentů, nyní ve vlastnictví Nichia, pokrývalo značnou část dalších možných aplikací. Firma by ho okamžitě soudně napadla, jakmile by vytvořil nebo publikoval cokoliv, co by jen vzdáleně souviselo s těmito patenty. Nakamura si tak nakonec vybral Kalifornskou univerzitu.
ZA AMERICKÝM SNEM
Se zaměstnavatelem se vůbec nerozešel v dobrém. Nedostal odstupné, protože odmítl podepsat konkurenční doložku. V roce 2001 Nakamura Nichia zažaloval o finanční náhradu za své patenty. Podle japonského práva jsou totiž patenty majetkem jednotlivce, který je ale může převést na svého zaměstnavatele za „odpovídající odměnu“. Nakamura v žalobě tvrdil, že se žádné odměny nedočkal, pracoval bez podpory zaměstnavatele a s minimálním rozpočtem, takže mu lidé v jeho okolí říkali výzkumný otrok.
V lednu 2004 soud první instance vydal rozsudek, který Nakamurův výklad podpořil a nařizoval Nichii vyplatit 180 milionů dolarů v tehdejší měně. (Podle soudu mohla na Nakamurových patentech vydělat cca 1,3 mld. dolarů, proto tak vysoká suma.) Společnost se odvolala a nadřízený soud souhlasil s tím, že odměny „mají být pro zaměstnance motivační, ale neměly by firmy znevýhodnit v boji s mezinárodní konkurencí“. V roce 2005 se strany dohodly na „odstupném“ 7,6 milionu tehdejších dolarů. Spor spolu s několika dalšími podobnými žalobami vědců a inženýrů přispěl ke změně podmínek odměňování v japonských společnostech, které dnes nabízejí výraznější bonusy či podíly na zisku.
Na Kalifornské univerzitě pracoval Nakamura na dalším vylepšení technologie GaN, a když se mu podařilo vyvinout postup, který nebyl pokryt patenty z éry Nichia, v roce 2007 spoluzaložil firmu Soraa, která vyrábí – jak jinak – LED světla. „Komunistická léta“ tedy nechal Nakamura daleko za sebou a dnes tvrdě pracuje na svém americkém snu.
/jj/