Что такое светодиоды

Итак, достаточное количество информации на нашем сайте было посвящено световой рекламе и использовании светодиодов в частности. Давайте поговори о том, что такое современные светодиоды. В последние годы мы стали свидетелями стремительного развития и революционного совершенствования светодиодов (светоизлучающих диодов, сокращенно СИД) — твердотельных полупроводниковых источников света. Еще недавно светодиоды были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже высокоэффективные источники света, которые в ближайшие 10-15 лет преобразят мир искусственного освещения и, возможно, заменят лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Прогресс, достигнутый в разработках и производстве оптоэлектронных полупроводниковых приборов в настоящее время, в первую очередь, связан с использованием соединений и твёрдых растворов типа AIIIBV. Яркими представителями этого класса приборов являются излучающие диоды (ИД).

Систематические исследования в области излучающих диодов начались только со второй половины ХХ-века, хотя эпоха создания ИД имеет почти столетнюю историю. Исследования и разработки в области материалов и технологий их производства в 60-90-е годы дали мощнейший импульс развитию электроники. В ряду этих “атлантов” были Н. Холоньяк (N. Holonyak), Ж.И. Алфёров, И. Акасаки (I. Akasaki), Х. Амано (H. Amano), С. Накамура (Sh. Nakamura), конечно, включая их соавторов и помощников.

Чтобы понять, почему светодиодам пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее этапы их создания и развития. В 1907 году английский инженер Хенри Раунд случайно заметил, что у работающего карборундового детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение талантливый советский ученый Олег Владимирович Лосев. Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение кристаллического детектора, этот, тогда еще 18-летний юноша, незамедлительно перешел к экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток, т.е. имел дело с прототипом полупроводникового прибора, названного впоследствии светодиодом или светоизлучающим диодом (СИД).

Серьёзное развитие СИД или LED, как их принято называть в англоязычных странах, началось в середине ХХ-века в США. Выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для создания светодиодов из-за слишком большой «работы выхода». Успех же сопутствовал многокомпонентным гетероструктурам соединений галлия (Ga), арсеникума (мышьяка — As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al). Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в середине века, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники — оптоэлектроники.

Первые, имеющие промышленное значение, светодиоды были созданы в начале 60-х годов на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США) с соавторами с красным и желто-зеленым цветом свечения. Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм — области наивысшей чувствительности человеческого глаза, — поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача СИД при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт. Они стали широко использоваться в качестве индикаторных устройств.

Прежде всего, СИД — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом «металл — полупроводник», генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое) излучение. Если к p-n-переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

У СИД на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения – т.е. число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару. У СИД на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды. Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что выращивать такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитриды алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы получать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но возникли трудности в синтезе и легировании этих материалов (обычно их получают в виде эпитаксиальных пленок). Для выращивания пленок используют два технологических подхода: метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ — Molecular Beam Epitaxy) в условиях сверхвысокого вакуума и метод осаждения пленок из металлоорганических соединений (MOCVD — Metalorganic Chemical Vapor Deposition). Принципиально важно при этом обеспечить совпадение периодов кристаллических решеток последовательных слоев с различным химическим составом, чтобы границы между соседними слоями не содержали дефектов и были резкими.

Советский учёный Жорес Иванович Алфёров с соавторами из Физико-технического института им. Иоффе впервые в 60-х годах предложили использовать четырёхкомпонентные гетероструктуры AlAsGaP для получения мощных в то время СИД, за что в 2000 г. был удостоен нобелевской премии в области Физики.

Первым, еще в 70-х годах, светодиод синего цвета свечения на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову с соавторами из компании IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практического применения. Но срок их службы был ограничен. В начале 80-х годов Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, локально становится ярким люминофором. Были предложены устройства оптической памяти с пространственным разрешением 1-10 мкм. Но причину яркого свечения — активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов тогда понять не удалось. Эту причину раскрыли японские ученые И. Акасаки и Х. Амано из Нагойского университета.

Прорыв в изготовлении СИД синего цвета свечения совершил С. Накамура из компании Nichia Chemical (Япония) 29 ноября 1993 года, когда компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку СИД синего цвета свечения на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству. Лишь немногие, даже в Японии, когда-либо слышали о Nichia, эта компания никогда не значилась среди зарегистрированных в оптоэлектронной промышленности. Свой первый СИД синего цвета свечения Накамура изготовил 28 марта 1991 года. Он оставил его включенным, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя рано утром в лабораторию, увидел, что диод еще светит. И хотя излучение было не очень ярким, это была победа. Два с половиной года спустя после многочисленных улучшений к моменту появления знаменитого объявления Накамура изготовил светодиоды, излучавшие с силой света 1000 мккд, а еще через шесть месяцев компания объявила о выпуске диода на 2000 мккд, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть.

Первый коммерческий СИД синего цвета свечения был сделан Накамурой в начале 1994 года на основе МКГ InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным Zn. Выходная мощность составляла 3 мВт при прямом токе 20 мА с квантовым выходом 5,4% на длине волны излучения 450 нм. Вскоре после этого был изготовлен зеленый СИД, излучавший с силой света 2 кд.

Схематическое изображение гетероструктуры СИД синего цвета свечения

В последние 10 лет возможный световой поток, испускаемый одним светодиодом, например, белого цвета свечения, вырос с 0,5 лм в 1996 г. до 400 лм в настоящее время, а стоимость одного люмена снизилась с 3 евро до 0,1 за тот же период времени. Внутренний квантовый выход СИД белого цвета свечения увеличился с 10 до 60 % за последнее десятилетие, подтверждая значительное увеличение эффективности СИД во всём спектральном диапазоне. Высокая излучательная эффективность и световой поток позволили высокоярким (ВЯ) СИД конкурировать с традиционными источниками освещения. По прогнозам компании Avago европейский рынок СИД будет увеличиваться, основываясь на двух столпах – многокомпонентных гетероструктурах AlGaInN и AlGaInP и приборах на их основе. Компания Strategies Unlimited прогнозирует рост рынка ВЯ СИД с 4,2 млрд. долларов США в 2006 г. до более 9 млрд. долларов США к 2011 г.

С момента своего появления светодиоды проделали длинный путь технологического развития. В последние годы были разработаны яркие СИД в широком диапазоне цветов, который теперь включает белый. Это, в свою очередь, открыло массу новых применений для СИД в качестве источника света со своей собственной нишей рынка, известной как «СИД высокой яркости» (HB LEDs). Для определения таких СИД также используют термины «суперъяркие светодиоды», «сверхъяркие светодиоды», «ультраяркие светодиоды» — это синонимы. Есть несколько способов идентифицировать СИД высокой яркости. Первый очень прост и интуитивен — СИД настолько яркие, что наблюдатель не может непосредственно смотреть на них без раздражения глаз. Второй — более технически определен, основываясь на производственном процессе СИД. Существует два типа СИД высокой яркости с использованием определенных полупроводниковых материалов. На основе AlInGaP создают СИД красного, оранжевого, желтого и зеленого цвета свечения высокой яркости. Другой материал — InGaN, позволяет создать СИД синего, зеленого и, совместно с желтым фосфором, белый цвет свечения.

Простейший 5мм СИД высокой яркости обеспечивает интенсивность света, по крайней мере, несколько сотен милликандел.

Следующим шагом в развитии стали СИД в корпусе “Пиранья”

На сегодняшний момент высокомощные СИД подразделяются на два основных подкласса – в корпусе smd (СИД поверхностного монтажа) и СИД с минилинзой.

Световой поток smd СИД достигает 300-400 лм для 3-5 Вт изделий, а у СИД с минилинзой до 220-300 лм.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *