Послойная осветизация

Проводя опыты с пропусканием электрического тока через контакт металла с карбидом кремния, я наблюдал любопытный феномен. При подаче напряжения 10 вольт между двумя точками кристалл засветился желтоватым цветом. Правда, при таком низком напряжении светились ярко только один или два образца, но при увеличении разницы потенциалов до 110 вольт обнаружилось, что светится уже много кристаллов», — писал в редакцию журнала Electrical World в феврале 1907 года английский исследователь Генри Раунд, сотрудник американской лаборатории Гульемо Маркони, совершенствовавший детекторы для радиоприемников. По сути дела, Генри Раунд обнаружил свойство некоторых полупроводников светиться в оптическом диапазоне при пропускании через них тока, то есть явление электролюминесценции. Именно это свойство применяется в современных светодиодах (СД), способных, по предсказаниям аналитиков, перевернуть весь рынок светотехнических устройств в свою пользу. Произойдет это, считают оптимисты, уже в ближайшие годы, так как за счет своей энергоэффективности полупроводниковая светотехника позволяет сэкономить сотни миллиардов киловатт-часовэлектроэнергии, идущих на освещение, причем при замене не только ламп накаливания, но и самых современных люминесцентных ламп.


Забежать на 20 лет вперед


Обнаруженный Раундом светящийся кристалл — любопытный случай в истории технологических открытий, относительно которого нельзя произнести самоироничное «Россия — родина слонов», имея в виду, что и в этот раз изобретение русского ученого увели ушлые иностранцы. Тут как раз все наоборот. После публикации в американском журнале следы этого открытия затерялись. Видимо, Маркони (известный «обидчик» Александра Попова, отобравший, по мнению части наших соотечественников, приоритет изобретения радио) отвадил своего личного помощника из Великобритании от отвлекающих от радиодела опытов. В итоге слава первооткрывателя досталась советскому исследователю Олегу Лосеву, начавшему через 16 лет после Раунда проводить аналогичные исследования в Нижегородской радиолаборатории. Свои успехи в области светящихся кристаллов он закрепил несколькими патентами и в свое время получил даже международное признание коллег. Как раз эти патенты, первый из которых (патент СССР за номером 12191 на изобретение светового реле) Лосев оформил еще в феврале 1927 года, формально закрепили за Россией приоритет в сфере светодиодов. К тому же Олег Лосев не только сразу оценил практическую значимость своего открытия для создания компактных твердотельных источников света, но и разработал первый в мире модулятор излучения при подаче переменного напряжения на контакт металл—полупроводник.

Сейчас остается только удивляться, говорят специалисты, что для объяснения наблюдаемых эффектов Лосев пользовался понятиями квантовой физики (подробнее см. «Изобретение инженера Лосева» в «Эксперте» № 15 за 2002 год). Он даже обращался к Альберту Эйнштейну, который, к сожалению, не откликнулся на письмо молодого ученого из России. Интересно и то, что для исследования участка полупроводника, из которого идет свечение, Лосев уже использовал трехэлектродные, то есть фактически транзисторные, схемы задолго до американцев, получивших в 1956 году Нобелевку за разработку транзистора. С полупроводниковыми технологиями Лосев забежал лет на двадцать вперед, и его пионерские работы в области оптоэлектроники (создание и всестороннее исследование первого в мире светодиода) затем были подхвачены иностранцами — сегодня в этих разработках у нас отнюдь не первая скрипка.

Уже в 40−х годах прошлого века стало ясно, что основной игрок полупроводникового мира — кремний (кстати, приборы на его основе и сейчас занимают 90% рынка полупроводников), материал, который для оптоэлектроники не годится, потому что имеет очень низкий квантовый выход. Это означает, что у кремния небольшое число излученных квантов света и на нем в принципе невозможно сделать эффективные источники излучения. В послевоенные годы ученые ленинградского Физтеха (ЛФТИ) Нина Горюнова и Анатолий Регель, а немного позднее Генрих Велькер в Германии предсказали возможность создания целого класса искусственных полупроводников на основе соединений A3В5 (элементов III и V групп таблицы Менделеева). Важнейшая особенность полупроводников А3В5 — именно их оптические свойства, которых лишен кремний и которые позволяют создавать оптические полупроводниковые устройства, работающие в широком спектре диапазона излучения (подробнее см. «Побег из запрещенной зоны» в «Эксперте» № 15 за 2008 год).

Серьезное практическое применение открытию Лосева удалось найти только после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа фосфида и арсенида галлия и их твердых растворов. Произошло это в 1960–1970−х годах, когда на основе этих материалов создали светодиоды и твердотельные лазеры, и таким образом был заложен фундамент новой отрасли техники — оптоэлектроники.


Два пути


Как рассказывает известный российский ученый-светотехник, заведующий лабораториейНаучно-исследовательского светотехнического института им. С. И. Вавилова Юлиан Айзенберг, в начале 1960−х годов несколько зарубежных компаний приступили к производству светодиодов с красным цветом излучения. Эти СД имели световую отдачу всего лишь 0, 1–0, 2 лм/Вт. Первые промышленные светодиоды были созданы в 1960–1970−х годах на основе структур фосфида и арсенида галлия Ником Холоньяком в США. За свои заслуги в области создания технологий электрического освещения в 2003 году Холоньяк получил международную премию «Глобальная энергия», своеобразную Нобелевку для энергетиков, учрежденную российскими компаниями. Помимо этих СД в 1960−х годах были разработаны светодиоды из фосфида галлия c красными желто-зеленым свечением. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1–2 лм /Вт, длина волны излучения этих приборов находилась в диапазоне 500–600 нм — самом чувствительном для человеческого глаза, поэтому данные СД стали очень широко использоваться в различной аппаратуре как индикаторные элементы.

Конечно, ни для какого освещения такие светодиоды не годились. Это становится очевидным, если сравнить названные показатели с достижениями современной светотехники. Так, самые лучшие образцы ламп накаливания имеют сейчас световую отдачу 16 лм/Вт (бытовые втрое меньше), а, к примеру, люминесцентные лампы последнего поколения одного из лидеров светотехнической отрасли компании Philips — 104 лм/Вт.

По словам одного из авторитетнейших специалистов в области оптоэлектроники профессора физфака МГУ Александра Юновича, в начале 1980−х важное открытие сделали его университетские коллеги Геннадий Сапарин и Михаил Чукичев. Они обнаружили, что после воздействия электронного пучка на кристалл нитрида галлия, легированный цинком, тот начинает интенсивно излучать в оптическом диапазоне, но объяснить это явление тогда не смогли, и дело застопорилось.

Настоящая революция в производстве СД произошла в конце 1980−х — начале 1990−х годов, когда, благодаря предшествующим работам Жореса Алферова и других ученых, были получены многопроходные двойные гетероструктуры полупроводников А3B5. Настоящий всплеск интереса к этим материалам был вызван прорывными исследованиями в области нитридных технологий на основе галлия и индия в Японии. Ученые из Нагойского университета объяснили причину эффекта, открытого Сапариным и Чукичевым, а в 1989 году сотрудник университета ИсамуАкасаки создал диод синего свечения на базе нитрида галлия, правда с эффективностью всего в 1%. Но уже в 1994 году японская компания Nichia Сhemical создала СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов с синим цветом излучения с эффективностью в 10% и приступила к массовым поставкам на рынок сверхъярких (для того времени) синих светодиодов. В итоге в конце XX века световая отдача красных и зеленых СД увеличилась в 100 раз по сравнению с 1970−ми годами и достигла значений 10–20 лм/Вт.

Появление СД с излучением в коротковолновой части оптического диапазона, по словам директора по ключевым проектам городского, промышленного и офисного освещения Philips «Световые решения» Николая Кухтина, открыло два основных пути для создания приборов с белым излучением. Первый — за счет преобразования синего света в белый видимый с помощью люминофоров, оно происходит примерно так же, как в люминесцентных лампах, где ультрафиолетовое излучение в итоге превращается в поток белого света. На рынке белые СД с люминофорами появились в 1996 году. Именно тогда светодиоды превратились из индикаторных элементов в источники света в прямом смысле этого понятия.

При втором способе белый цвет получается в результате так называемого аддитивного смешивания в определенном соотношении красного, зеленого и синего цветов. Эта технология намного дороже люминофорной, так как для получения итогового прибора на одну подложку нужно «посадить» три или четыре кристалла, а потом следует этот свет смешать, используя хитроумные недешевые решения и оптику. Обычно светодиоды, произведенные таким способом, используются в осветительной технике для сценического освещения, в специфической архитектурной подсветке, когда есть необходимость получить разные оттенки белого цвета либо смешать и получить какие-то другие цвета. В частности, рассказывает Николай Кухтин, недавно таким образом Сбербанк украсил здание своего головного филиала в Нижнем Новгороде, используя светотехнические решения Philips. Для общего же освещения намного чаще используются монохромные светодиоды (на люминофоре), как более дешевые.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.