Самые современные источники света

Светодиоды изменяют всю светотехнику на «генном уровне».

Стремительное развитие технологии про­изводства излучающих структур в послед­ние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серийно производимых излучающих кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твердых растворов AlGaInP и AlGaInN, позволяющих создавать источ­ники света с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер при­менения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распреде­ления и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения от­крывают огромные перспективы использо­вания светодиодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств.

Сергей Никифоров

В последнее время светоди­оды все больше претендуют на использова­ние их в освещении, художественной под­светке, ответственной сигнальной технике. Все это стало возможным благодаря доста­точно быстрому росту энергетических пока­зателей, надежности и долговечности этих источников света. Малое потребление электрической энергии, легкость формиро­вания диаграммы направленности излуче­ния с помощью различной оптики, простота управления и самое важное — специфичес­кое восприятие излучения человеческим глазом делают светодиоды незаменимыми для создания сигнальных источников све­та, полноцветных экранов, вывесок, других средств представления информации в виде динамического изображения и художест­венного освещения интерьера.

Рост эффективности и светоотдачи поз­волил формировать на основе светодиодов нового поколения мощные источники света, которые с успехом применяются в настоящее время для освещения поме­щений, подземных переходов, подъездов и лестниц. Очень малое по сравнению с лю­минесцентными лампами и лампами нака­ливания потребление электроэнергии (мо­жет быть меньше в несколько (до 10) раз), и такое уникальное качество, как отсутствие хрупких элементов, сделали незаменимым применение мощных светодиодов в уст­ройствах аварийного, взрывобезопасного и дежурного освещения шахт, подводных лодок, специальных помещений и даже кос­мических кораблей. Также стоит отметить применение этих твердотельных источни­ков и в устройствах сигнализации: свето­форы, сигнальные и навигационные огни, переносные фонари для военных, милиции и служб МЧС теперь высоконадежны и дол­говечны, а использование их с батарейными элементами питания позволяет во много раз увеличить время работы.

Таким образом, применение светодиодов взамен традиционных источников света позволит существенно понизить энергозат­раты на освещение, материальные ресурсы на обслуживание устройств освещения (за­мена ламп, ПРА, прочий ремонт), экологичес­кий риск применения традиционных ламп и в итоге сохранить здоровье и улучшить качество жизни людей.

Что могут короли? О современных светодиодах.

Область и цели применения диктуют па­раметры, конструкцию и режимы работы светодиодов. Светодиоды разделились на классы по функциональному назначению и перестали быть просто излучающими свет радиоэлементами. Однако самыми передовыми и находящимися на острие внимания в настоящее время являются мощные белые светодиоды на основе синего кристалла и люминофора как по­тенциальные заменители традиционных ламп, на примере которых и стоит судить о достижениях производителей (таблица). При этом ничто не мешает прогрессу идти широким фронтом: совершенствуются классические конструктивы (например, 5­-миллиметровые светодиоды) и созда­ются совсем новые, используемые в конк­ретных целях. Но везде борьба с помощью современных технологий идет за световую эффективность, вне зависимости от цве­та и назначения. Ярким примером этого могут служить совсем недавние продукты от Seoul Semiconductors — светодиоды “Acriche”. Их создатели не забыли, что светодиод — это тоже диод, и вернули первоначальное назначение диода, хотя и излучающего, — являться выпрямите­лем, вентилем, и теперь “Acriche” сам для себя и источник питания, и источник света. Особого типа кристалл, выращенный на подложке из сапфира, имеет топологию группы последовательно соединенных диодов, суммарное напряжение которой может доходить до сетевого, поэтому та­кой светодиод не требует ничего, кроме подсоединения прямо в розетку. Причем, светоотдача в случае белого цвета в дейст­вительности достигает 80 лм/Вт. Однако даже двухполупериодная схема включения групп диодов не исключает заметного гла­зом мерцания безынерционных приборов. Такие светодиоды, тем не менее, уже нача­ли широко применяться непосредственно в существующих вариантах конструкций уличных светильников.

Другой известный производитель, ис­пользующий технологию эпитаксии на сап­фире, — фирма Nichia — также декларирует в уже серийных вариантах белых светоди­одов светоотдачу не менее 80–90 лм/Вт. Однако высокие значения эффективности достигнуты при меньшей плотности тока, что выгоднее с точки зрения работы струк­туры и гарантирует меньшую деградацию светового потока. Здесь стоит отметить и высокое качество преобразования све­тового потока люминофором со значитель­ным индексом цветопередачи.

Поиск путей увеличения световой эф­фективности привел некоторых произ­водителей светодиодов к освоению тех­нологии посадки кристаллов методом “flip­chip”. Это существенно уменьшает тепловое сопротивление «p-n­переход — кристаллодержатель» одновременно с улучшением условий выхода излучения из кристалла. Такие обстоятельства неза­медлительно начали использоваться для супермощных светодиодов путем увели­чения плотности тока через кристалл. Так, например, специалистов компании Philips­-Lumileds не смутило, что эффективность их нового “lUxEON K2” едва превышает 40 лм/Вт, через него успешно пропускают 1500 мА и имеют в одном корпусе 275 лм. Однако при такой плотности тока значе­ние деградации светового потока в 30% за 50 000 часов вызывает сильные сом­нения. Возможно, такой вариант и ока­жется удобным: всего один светодиод, а не три, но небольшая эффективность при большой мощности рассеяния потребует значительной площади охлаждения све­тодиода, которая может оказаться сущес­твенно больше, чем в сумме от трех. Тем не менее технология “flip­chip” в любом случае оправдывает себя полностью. Это показывает многолетний опыт ее приме­нения компанией Toyoda Gosei, которая выпускает одни из самых надежных и ста­бильных светодиодов в мире, доказывая, что за 25 000 часов наработки возможно полное отсутствие деградации светового потока.

Отдельно стоят от всего описанного све­тодиоды компании CREE с кристаллами на карбидкремниевой подложке. С момента запуска серии “xlamp” световая эффек­тивность стремительно выросла, и теперь самые современные светодиоды XR­-E7090 имеют ее до 100 лм/Вт, хотя промышлен­ные варианты таких приборов неведомы пока в нашем отечестве. Однако надо от­дать должное тому, что технология эпитак­сии нитрида галлия на Sic имеет гораздо больше потенциальных возможностей для совершенствования, чем на сапфире. Это касается как проблем деградации, так и реализации различных режимов работы светодиодов. Не отстает в успехах свето­диодостроения и компания Osram, неког­да использовавшая в своих светодиодах кристаллы CREE и являющаяся признан­ным эталоном чистоты белого цвета от светодиодов. Теперь Osram выпустила светодиод “Diamond Dragon” со световым потоком в 250 лм и током 1400 мA через кристалл площадью 2 мм².

Нельзя не отметить также производите­лей мощных светодиодов Китая и Тайваня, которые стремятся приблизиться к техническим показателям ведущих фирм, имея в арсенале одно из важных преимуществ своего продукта — гораздо меньшую стои­мость. Здесь стоит сказать о том, что цены на рынке светодиодов едва ли «раздувают­ся» умышленно и неоправданно, а прогресс в этой области столь стремителен, что за­частую выпущенный бренд не успевает завоевать свое место и своих потребите­лей, как его уже теснит новый, с лучши­ми характеристиками и другими ценами. Поэтому пресловутое соотношение $/лм в отношении к белым светодиодам теперь неоднозначно и требует еще дополнитель­ных условий и оговорок: указаний режи­мов работы светодиодов, понятий о де­градации и имени фирмы­-производителя. Усложнение анализа параметров, качества и стоимости мощных светодиодов стано­вится причиной путаницы у потребителей, чем успешно пользуются продавцы. Интел­лектуальный статус продукта «светодиод» с учетом его характеристик существенно вырос, поэтому большинство наименова­ний требуют не только формального про­чтения спецификаций и понимания: «ки­тайское, не китайское», но и детального и дифференцированного подхода к нему. Так, например, тайваньская корпорация High Power lighting представила свой продукт для SMD­ монтажа «Rambo», за­декларировав световой поток до 80 лм при 1 Вт потребления и размерах светодиода 4×4 мм. Однако совершенно понятно, что у потребителя возникнут большие пробле­мы с обеспечением теплоотвода, тем более что этот светодиод разрешается использо­вать до 3 Вт. Можно также упомянуть еще несколько довольно известных компаний этого региона, внимание к которым, как и ко всем другим на рынке мощных свето­диодов, должно быть пристальным: Huey Jann, Prolight, Edison. Эти участники сорев­нования за высокие характеристики также указывают эффективность своих светоди­одов в 50–70 лм/Вт.

Некоторые тенденции развития технологии производства светодиодов и применения излучающих кристаллов.

Несмотря на то, что достаточно удачные раз­работки в области технологии производства излучающих кристаллов применяются сов­ременными производителями светодиодов повсеместно и очень широко, однако часто еще полностью не освоенная и не доведен­ная до необходимого качественного уров­ня технология посадки и упаковки новых типов кристаллов в светодиод сменяется другой из­за появления еще более новых кристаллов или технологий их монтажа. Одновременно сменяется и тематическое направление применения светодиодов, изменяя в свою очередь их вид и конструкцию. Чтобы идти в ногу с таким быстрым про­грессом в этой области при проектирова­нии устройств, основой которых являются светодиоды, необходимо в некоторой сте­пени прогнозировать развитие ситуации с появлением новаций. Тогда такой проект, сориентированный уже на следующий шаг в развитии полупроводниковых источников света к моменту его реализации и последую­щей эксплуатации, будет однозначно совре­менным и обладающим всеми преимущест­вами примененного в нем новшества.

Основным направлением в развитии технологии производства кристаллов яв­ляется повышение энергетики квантового выхода за счет применения совершенных материалов подложек и кристаллодержате­лей с очень малым тепловым сопротивле­нием. Развивается и методика производс­тва кристаллов светодиодов с применением эффекта Пельтье непосредственно под излучающим кристаллом. Необходимость этого возник­ла с появлением устойчивой тенденции использования кристаллов при больших плотностях тока (до 200 А/см²). Лишь такой подход сегодня позволяет увеличить кван­товый выход кристаллов в несколько раз по сравнению с прежними показателями. Па­раллельно увеличению плотности тока раз­вивается интеграция, одним видом которой является стойкое стремление увеличения размеров кристаллов. Это тоже оправдано, и скорее всего именно такой подход позво­лит наряду с развитием теплоотводящих материалов получить конструкции крис­таллов и устройств на них с наибольшими энергетическими показателями выхода «люмен — ватт электрический». Сейчас этот показатель в промышленных вариан­тах светодиодов составляет около 80 лм/Вт на синем кристалле с люминофором. По­этому все больше появляется сообщений о том, что в кристалле имеет место такой­то оптический выход с такой­то площади структуры. Именно с площади. То есть в дальнейшем, с развитием возможности ва­рьировать площадь поверхности (размеры) кристалла светодиода в широких пределах, можно бу­дет говорить о световом выходе, зная лишь размер кристалла или количество кристал­лов в интегральной матрице. Основными проблемами, тормозящими прогресс в этой области, являются сложности формирова­ния равномерной плотности тока по всей площади большого кристалла, иначе не имеет смысла делать его большим, и по-­прежнему отвод тепла остается определя­ющим в выборе размера.

Положительным эффектом интеграции групп кристаллов в одну структуру с па­раллельным их включением внутри самой структуры (одного кристалла), существенно влияющим на перспективы развития этого пути, является уменьшение прямого напря­жения и общего потребления электрической мощности, за счет чего в основном и наблю­дается рост отношения «люмен — ватт элек­трический».

Особо стоит отметить тенденции развития технологий производства белых светоди­одов.

Используя в качестве источника света синий кристалл с центральной длиной волны около 455–460 нм, нанесенный на него люминофор преобразует спектр ис­ходного излучения в близкий к белому с ко­эффициентом передачи светового потока относительно исходного с указанной дли­ной волны синего — 4–6. Тенденция роста квантового выхода в этой системе может использовать все вышеописанные вари­анты плюс совершенствование материала люминофора. Однако, скорее всего, в очень скором будущем наступит предел размерам кристалла, плотности мощности, с которой может эффективно работать люминофор, и исчерпаются возможности комбинаций состава люминофора. Поэтому создание широкополосной излучающей полупровод­никовой структуры продолжается и уско­ряется. Тут дело стоит за совершенствова­нием технологии роста кристаллов вообще и структур с неким набором запрещенных зон различной ширины в одной активной области в частности.

В производстве светодиодов или по­лупроводниковых излучающих матриц описанные проблемы конструкций крис­таллов, совершенно очевидно, перено­сятся на конструктив светодиода. Посад­ка кристаллов на подложках Sic (cREE), безусловно, вскоре будет осуществляться исключительно на эвтектику. Клеевые и эпоксидные варианты крепления еще долго останутся у материалов GaAs/GaAs, AlInGaP/GaP и структур на подложке Al2O3 (EPISTAR, NIcHIA, АХТ, UEc). И здесь также будет увеличиваться интеграция. Важным будет не формирование светового потока, а его энергетика. Поэтому в приборах для ос­вещения источники света обязатель­но будут матричными. Каким бы ни было совершенствование мощных единичных светодиодов на основе больших кристал­лов, гораздо дешевле и мобильнее будет изготавливать светильники, устанавливая кристаллы непосредственно на текстоли­товую плату или металлокерамику необхо­димой конфигурации и в нужном количес­тве. Исходя из этих задач, формирование вторичной оптики сведется к минимуму, сохраняя лишь ее свойства герметизации кристалла, если это не какая­либо специ­альная необходимость…

При таком групповом использовании крис­таллов качественная оптика невозможна. Примером описанной тенденции является катастрофически растущая доля производ­ства многокристальных SMD-­светодиодов как прообраза будущих матриц относительно производства единичных светодиодов. Одна­ко для создания больших протяженных ис­точников света, таких как табло и экра­ны, где практически достигнут необходимый предел их яркости с помощью существующих светодиодных кластеров и где направлением развития является повышение разрешающей способности и качество воспроизведе­ния и передачи изображения, еще очень про­должительное время будут использоваться единичные монохромные светодиоды, как элементы, с помощью которых возможно мобильно, дешево и просто решить любую задачу в этой области, реализовав большинс­тво необходимых параметров.

Вторая сторона медали. Российский рынок светодиодов.

В современных системах освещения и подсветки светодиоды применяются все чаще, и ни у кого не вызывает сомнения успешное будущее этого процесса. Кро­ме большой коммерческой перспективы у этого прогрессивного начинания есть сугубо техническая сторона, которая на данном этапе его развития играет первую и самую важную роль. Чем компетентнее окажутся разработчики полупроводнико­вых структур, тем качественнее и надеж­нее окажется производимый ими продукт. Чем лучше и яснее будут поняты проблемы и особенности твердотельных источников света инженерами, которые уже применя­ют светодиоды там, где до самого послед­него времени это было трудно и предста­вить, тем быстрее и увереннее мы сможем сказать, что достигли поставленной цели и с коммерческой точки зрения.

Использование на российском рын­ке светодиодов производства мировых лидеров открыло большие перспективы для их производителей, с одной стороны, и возможности использования для отечес­твенных разработчиков — с другой. Опыт известных производителей светодиодов и качество их продукции известны и при­знаны во всем мире. Хотелось бы оценить их по достоинству и в России, где появле­ние из­за рубежа новых разработок в об­ласти твердотельных источников света можно расценивать как возврат к их истинным корням. Потому как, родившись в России и будучи подростком (полупро­водниковая светотехника популярна уже не менее 15 лет), этот ребенок, к сожале­нию, сейчас получает только исключитель­но заграничное воспитание. Родительское признание и опека станут для него новым этапом развития.

Скачать статью в формате pdf