А.Э.ЮНОВИЧ

Физический факультет

Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

П.С. КОПЬЕВ

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

С середины 90-х гг. бурное развитие исследований и разработок эффективных светодиодов (СД) на основе наноструктур с квантовыми ямами из нитрида галлия (GaN) и его твердых растворов привели к возможности создания освещения будущего – светодиодного освещения [1, 2]. СД потребляют около 17% электрической энергии по отношению к лампам накаливания и 50% - к компактным люминесцентным лампам. СД в 20 раз долговечнее ламп накаливания и в 5 раз - люминесцентных ламп, что существенно снижает расходы на эксплуатацию (светодиодную лампу можно будет не менять 20 лет).
Они не содержат ртути (как люминесцентные лампы) и не представляют экологической опасности. СД имеют малый вес, они устойчивы к деформациям и вибрациям. Экономия электроэнергии при внедрении светодиодного освещения (по оценкам в США) будет эквивалентна строительству 100 атомных электростанций.

Физика действия СД - это эффективное преобразование электрической энергии в световую вследствие излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике – электролюминесценции. Светодиоды на основе p-n- гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN излучают в ультрафиолетовой, фиолетовой, синей и зеленой областях спектра. Суммарное излучение СД нескольких цветов или сумма излучения СД и возбуждаемых им люминофоров дает возможность разными способами получить белое свечение (рис. 1). Эффективность белых СД для освещения определяется, в соответствии с чувствительностью зрения, световой отдачей (лм/Вт). Для ламп накаливания световая отдача около 18 лм/Вт, для компактных люминесцентных ламп – около 80 лм/Вт.

Важнейшие этапы технологии создания белых СД - эпитаксиальное выращивание многослойных гетероструктур с толщинами слоев разного состава 3 – 100 нм и создание кристаллических заготовок с этими слоями – «чипов» - размерами от 300 мкм до 1.5 мм. От состава слоев, их толщины и легирования примесями зависит длина волны и внутренний квантовый выход излучения. Поверхности и форма кристаллов определяют
оптический вывод излучения. Контакты к «чипам» должны иметь малое сопротивление и не мешать выводу света, от них зависит коэффициент полезного действия СД. Покрытие «чипов» люминофорами и диэлектрические куполообразные линзы, покрывающие «чип», определяют цветовые характеристики и направленность излучения. Корпус СД должен обеспечить хороший теплоотвод для уменьшения нагрева при больших токах через СД.

Исследования и технологические разработки последних лет увеличили световую отдачу промышленных белых СД от 20 до 80-100 лм/Вт. Рекорды для световой отдачи лабораторных СД ведущих фирм – до 160 лм/Вт. Коррелированная цветовая температура подбором люминофора может изменяться в пределах от 6000 К («холодное» белое свечение) до 2500 К («теплое» белое свечение). Практика показывает, что лабораторные разработки доводятся до промышленного производства в течение 2-3 лет. Это обусловливает возможности широкого коммерчески выгодного применения СД и уверенность в перспективах светодиодного освещения.

 В США, Японии, Китае, Корее, в Европе и Австралии были разработаны государственные и целевые программы развития светодиодной промышленности и светодиодного освещения. Президент США в декабре 2007 г. издал указ о замене ламп накаливания светодиодами в 2012 г. Аналогичное решение принято в Австралии. В Китае за 5 лет создана светодиодная промышленность, в которой работает 40 тыс. чел.; объем
продаж этой промышленности в 2004 г. составил 1.45 миллиарда долларов. Светодиоды выпускаются сотнями миллионов штук в год. Общий объем светодиодного рынка в мире в 2005 г. составил 4 млрд. долларов; предполагается, что в 2010 г. он будет превышать 8 млрд. долларов. В июле 2008 г. Министерство энергетики США провело совещание о продвижении на рынок светодиодных источников света [3].

 У нас в стране в конце 80-х гг. выпускали в год более 100 млн. СД красного и желто-зеленого свечения на основе GaAs и GaP. До 90-х гг. была заложена основа для развития физики и техники нитридных полупроводников. Ведущие научные центры по нитридной тематике в США, Германии, Швеции, Корее, Китае, на Тайване последние 20 лет привлекали к работе отечественных специалистов. В конце 90-х гг. работы по нитридам в России развивались во многом благодаря зарубежным связям. Работы по III-N в России инициировали или внесли важный вклад в новые исследования за рубежом.

В последние годы исследования и разработки белых СД проводятся российскими академическими и университетскими организациями в тесном взаимодействии с отечественными промышленными фирмами. Светодиоды, импортного и отечественного производства, применяются в авто- и железнодорожных светофорах, в архитектурной и интерьерной подсветке, в рекламе, в экранах дисплеев, в автомобильной
промышленности, в освещении вагонов РЖД. Сделаны первые шаги в освещении объектов жилищно-коммунального хозяйства, в освещении объектов северных городов. Российская Корпорация Нанотехнологий начала разработку долгосрочной программы развития светодиодной промышленности и светодиодного освещения в России.

 [1] А.Э.Юнович. Светодиоды как основа освещения будущего. Светотехника, 2003, N 3, с. 2-7.

Исследования и разработки светодиодов в мире и возможности развития светодиодной
промышленности в России. Светотехника, 2007, N 6, с.13-17.

[2] Ф.Шуберт. Светодиоды (пер. с англ. под ред. А..Э.Юновича); М., Физматлит, 2008, 495 с.

[3] SSL Efficiency 2008 Ann. Market Introduction Workshop; July 9-11, 2008 Portland, Oregon;
http://www.netl.doe.gov/ssl/Portland_2008/materials_2008.html