Он ушел, не попрощавшись, позабыв немой футляр

От нас ушел Владимир Семенович Абрамов, лауреат Государственной премии СССР, кандидат технических наук — один из редчайших людей нашей современности, которого отличало глубокое знание работы гетероструктур на уровне их физики, свойств огромного количества материалов, применяемых в электронике и микроэлектронике, различных вариантов их получения, оптики и оптических материалов. И как результат — сотни разработанных методов производства излучающих кристаллов, светодиодов и других изделий на их основе, в том числе массового и специального назначения. Но, наверное, не менее важно осознавать, что кроме профессиональных качеств, и таланта изобретателя, инженера и разработчика, ему было свойственно бесконечное остроумие, неутомимость, неуемный темперамент… Очень часто казалось, что сама жизнь берет у него уроки мастерства. Мне посчастливилось знать его и разделять с ним многие научные, производственные и просто жизненные проблемы и задачи почти четверть века, до самого последнего момента. Именно поэтому мне крайне трудно готовить материал о нем, используя прошедшее время, и именно поэтому я часто буду вести рассказ от первого лица. И уж если быть честным до конца, то в отношении него все это время я больше всего не хотел готовить публикацию именно в таком контексте. Я знаю, что он вряд ли бы позволил мне написать о нем много и с его точки зрения нескромно. Но и ничего не говорить — тоже не в его традициях, поэтому я постараюсь передать некоторые особенно значимые и яркие моменты проявления его высокой жизненной энергии. В своинеполные 83 года (по традиционному совпадению, этот номер журнала выходит ко дню его рождения — 1 декабря), несмотря на истерзанное инфарктами и установленными стентами сердце, он сбегал по лестнице так, что догнать его можно было не сразу.

Что уж там говорить о ходе мыслей или о решении известных ему задач в области светодиодов и того, что с ними связано. В том числе и о тех, кто был с ним связан. Владимир Семенович объединял немыслимое количество людей, чьи ряды, к сожалению, существенно поредели за последние годы. И о них мы тоже постараемся упомянуть.

«Корвет-Лайтс»

Это компания-легенда. Ее особенная роль состоит в создании такой команды, которая на протяжении 20 лет с момента основания и до сегодняшнего дня практически в полном составе (правда, уже в разных компаниях и на разных ролях) работает в светодиодной индустрии. Эта команда успела и смогла в свое время сделать невероятный технологический рывок в отечественной светодиодной промышленности, которым она жива до сих пор и который вдохновляет ее участников на современные светодиодные и около полупроводниковые дела. Собрал ее в последние годы прошлого века Александр Валерьевич Шишов, но центром этой команды был и остается Владимир Семенович. Именно поэтому об атмосфере тех лет стоит поговорить особо — все зарождалось именно там: и новые решения, и новые специалисты, порой пришедшие в оптоэлектронику из «другой оперы» (что, возможно, и дало такой результат).

Мне, с моим радиотехническим прошлым, было совершенно неинтересно, что там творится внутри элементов, которые я был приучен составлять в схемы и реализовывать только их функциональные возможности. А научить этому теоретически мог тот же В. С. Абрамов, который одно время преподавал в МИРЭА, где я учился в середине 90-х на радиоинженера. Но все, что под его руководством создавалось в «Корвет-Лайтс» для осуществления разработок и производства светодиодов, приводило только к одной мысли: это явно перспективное начинание. Однако чтобы только приблизиться к возможности обсуждать вопросы с мэтрами светодиодных технологий, нужно было съесть даже не пуд соли. И первым знаковым мероприятием, демонстрирующим силу и возможности нового светотехнического направления, стало участие в выставке «Интерлайт-2000» в декабре 2000 года, где стенд «Корвет-Лайтс» был единственным на той огромной площадке из нескольких павильонов московского Экспоцентра, набитых лампами и светильниками, в которых были только одни светодиоды (рис. 1). Ими было нашпиговано на стенде все что можно — от уличного фонаря до стен. И похвастаться уже было чем.

Рис 1. Стенд компании «Корвет-Лайтс» на выставке «Интерлайт-2000». Все светодиоды на стенде припаяны на платы и смонтированы вручную Валерием Викторовичем Кузнецовым и автором этих строк

К тому времени уже были освоены в производстве несколько базовых типов светодиодов на самых передовых излучающих кристаллах тех лет — Cree XB и MB (InGaN на карбиде кремния) и Epistar (GaP на GaP и InGaN на сапфире). В оформлении стенда было использовано несколько тысяч светодиодов (конечно же, собственного производства) с различной оптикой. Уже готовились к запуску в производство многокристальные RGB-светодиоды для экранов с широкой сферической и цилиндрической оптикой и сегментные светодиоды для автодорожных светофоров с линзой Френеля (рис. 2). Несмотря на это, большинство посетителей выставочного стенда «Корвет-Лайтс» покручивало пальцем у виска и стыдило нас за неприкрытый обман публики, что, мол, все это не наши разработки и что мы непонятно зачем лезем с этим безобразием в светотехнику. Лишь некоторые смотрели с вполне понятным удивлением и любовались красотой огоньков небывало насыщенного янтарного цвета. А кто-то даже пытался прочесть газету под светом уличного фонаря, «набитого» сотнями желтых светодиодов с линзами, и, как ни странно, у него получилось.

Рис. 2. Светодиоды производства «Корвет-Лайтс»:
a) светодиод для автодорожных светофоров с линзой Френеля;
б) светодиод со сферической оптикой 30°; многоцветный с линейной линзой Френеля;
в) многоцветный с обычной цилиндрической линзой

Нетрадиционным оказалось решение проблемы по формированию пространственного распределения сил света полноцветных RGB-светодиодов, для которых необходима существенная разница в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскости. Вторичная оптика таких светодиодов сочетает две функции — создание заданной диаграммы и оптимальное смешение основных цветов в максимально возможно большем угле наблюдения. Это необходимо для восприятия формируемых оттенков без искажений даже при большом угле зрения. В некоторых случаях для достижения такого эффекта в материал линзы локально вводился диспергатор с таким учетом, что потери интенсивности практически не происходило. Этим настоящим искусством виртуозно владел Николай Валентинович Щербаков, которому принадлежит большинство идей создания непревзойденных оптических систем как для дискретных светодиодов, так и для групповой оптики матриц. Сама оптическая часть полноцветного светодиода представляет собой цилиндрическую линзу Френеля (Заявка № 2001108879 «Светодиод полноцветный с линейной линзой Френеля») либо обычную цилиндрическую линзу (рис. 2). На основе таких светодиодов на той самой выставке в 2000 году уже был представлен светодиодный модуль для самого настоящего светодиодного экрана (можно заметить на правом фото рис. 1 — изображение движущегося пингвина на модуле, что над головой руководителя коммерческого отдела «Корвет-Лайтс» Алексея Вячеславовича Куликова).

Достаточно массивный металлический держатель кристалла является мощным радиатором, отводящим тепло от p-n-перехода с тепловым сопротивлением держатель-кристалл в десяток-два градусов на ватт. Это позволяет рассеивать тепловую мощность до 0,5 Вт, не допуская перегрева области излучения и ухода световых и цветовых характеристик. В результате удвоение относительно штатного, рекомендованного производителем кристаллов (20 мА) прямого тока через p-n-переход, позволило значительно увеличить мощность излучения и, как следствие, силу света светодиодов (Патент РФ № 2114492 «Светоизлучающий диод» — светоизлучающий диод с линзой на основе макролона и улучшенным теплоотводом). Также благодаря данной конструкции удалось помещать в один корпус до трех кристаллов с возможностью их одновременной работы в номинальном режиме (40 мА/кристалл). Этот факт лег в основу создания многокристальных светодиодов с различным цветом излучения и полноцветных RGB-диодов, позволяющих формировать любой оттенок свечения, в том числе белый, как результат матрицирования трех цветов (Патент РСТ/RU99/00388 Luminescent diode devise — полноцветный светодиод). Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров при изготовлении полноцветных экранов с высокой разрешающей способностью и яркостью более 10 000 кд/м². Размер пикселя при этом равен одному светодиоду, а смешение цветов вообще происходит в точке размером 0,6×0,2 мм. Более того, расположенные на одном основании, все три кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все тепловые уходы их параметров происходят одновременно, независимо от большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет, сформированный в этот момент системой управления, в отличие от кластеров на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации [1].

Для всего этого многообразия была разработана специальная технология, в которой в качестве «оптической прокладки» между полостью линзы и кристаллом применялась доселе неведомая кремнийорганика. Сначала, до запуска своего производства, были использованы технические мощности предприятия «Сапфир», где и были сосредоточены основные ударные силы тех разработок. Именно там, в колыбели отечественных светодиодных технологий, трудился уникальный коллектив технологов, организованный еще в 1970-х годах доктором технических наук, профессором Валерием Петровичем Сушковым под руководством близкого и давнего соратника Владимира Семеновича — Николая Валентиновича Щербакова. В его команде состояли уникальные специалисты-технологи, разработчики производственных операций на всех этапах изготовления светодиодов, им нет равных и сейчас — это Владимир Георгиевич Звонов, Олег Евгеньевич Дмитриев, Римма Валентиновна Дмитриева.

На одном из первых деловых совещаний с тогдашними зачинщиками и идеологами всего направления — Валерием Петровичем Сушковым и Владимиром Семеновичем, я поинтересовался, что может быть интересного в этих не так уж и ярко светящих пылинках под линзой? «Что ты, это же целый мир!» — сказал тогда Сушков, выпуская клубы папиросного дыма. По всей видимости, потом открывать для меня этот мир он поручил Абрамову. Что тот и делал в последующие два десятилетия. Но тогда, спустя пару месяцев с того разговора мы с Владимиром Семеновичем сидели в новенькой фотометрической лаборатории «Корвет-Лайтс» и, словно играя в наперстки, комбинировали линзы, светодиодные подложки и кристаллы. В то время было создано множествовариантов светодиодных подложек (держателей) для различных кристаллов, которые до этого времени были неизвестны: «списать» было не у кого, поэтому все было разработано с нуля. Основная сложность заключалась в создании эффективного и технологичного теплоотвода от излучающего кристалла, поскольку в этих светодиодах он использовался с удвоенной плотностью тока, и чтобы его ресурс был приемлемым, важно было хорошо отвести тепло. При этом никто не снимал задачи получения высоких фотометрических характеристик, так как почти вся продукция была нацелена на применение в сигнальной технике, где к ним предъявляются особые требования. В той разработанной конструкции держатель кристалла имеет лунку со специфической конфигурацией, рассчитанной на определенный тип линзы, на дно которой и помещается кристалл. Поэтому излучение, производимое боковыми гранями кристалла, направляется в линзу и также предназначается для формирования диаграммы (рис. 5). Особенно этот эффект проявляется при использовании структур на подложках GaP и вертикальных кристаллов Сree ХВ, МВ и МВ-2, излучение боковых граней которых достигает 60% суммарного оптического выхода кристалла [2, 4]. Именно тогда, в 2001–2002 годах, Владимиром Семеновичем и были разработаны такие комплекты — «подложка-держатель (с соответствующей первичной оптикой-лункой) —кристалл-линза», в дальнейшем и ставших основой для последних, действительно отечественных светодиодов с приемкой «5», полностью созданных на нашем предприятии.

Однако чтобы понимать, куда двигаться дальше, нужны были доселе неизвестные никому из цеховиков-микроэлектронщиков фотометрические и спектральные измерения. Ведь обычные диоды и транзисторы имеют совершенно иную сетку параметров, и в них ничего не светится. Пришлось осваивать и одновременно буквально создавать эту науку вместе со средствами измерений, поскольку опыта и понимания методов измерений квазимонохромного света не было ни у кого. А рекомендации CIE (Международная комиссия по освещению) на этот счет появились гораздо позже, когда мы уже и сами знали, что и как делать. Именно здесь, в фотометрической лаборатории, происходила высокая оценка трудов всего коллектива, когда результатов измерений параметров сотен образцов ждали буквально у двери, словно рождения долгожданного ребенка. И на этом фронте тоже велась большая работа. Задачи ставил Абрамов. А их решение шло под руководством к. т. н. Петра Павловича Аникина, который предложил в свое время ряд остроумных методов измерения параметров светодиодов на основе спектрального распределения их излучения. Впоследствии они значительно помогли при внедрении светодиодов в железнодорожную сигнальную технику, а в процессе этой работы стало ясно, что без них буквально нельзя было обойтись.

Стоит отметить, что вообще вся деятельность коллектива компании «Корвет-Лайтс» напоминала боевые действия: все развивалось быстро, прорывы были стремительны, новые разработки «пекли» прямо в «окопах». Одним из самых горячих фронтов 2002–2003 годов была железная дорога с ее грандиозной задачей внедрения светодиодов в светофорную сигнальную технику. Для этого понадобились совершенно иные технические решения, поскольку подобные устройства требовали не только недосягаемых для светодиодов фотометрических характеристик и параметров цветности, но и совершенно «неприличного» диапазона рабочих температур –60…+60 °С. При том, что один из сигналов на РЖД имеет синий цвет, а синий кристалл в промышленном варианте у наших коллег из Силиконовой долины появился лишь за пару лет до описываемых событий. Бессменный продюсер всех работ по взаимодействию с особо важными заказчиками Дмитрий Рафаилович Агафонов и генеральный директор «Корвет-Лайтс» Евгений Владимирович Долин придавали этой работе особый стратегический смысл, что и понятно — бездонный как закрома Родины рынок был крайне необходим для молодого предприятия. Задача была поставлена всем: разработать и промышленно выпускать светодиоды для удовлетворения спроса РЖД. Уже относительно неплохо отлаженное производство светодиодов «Корвет-Лайтс» возглавил Валерий Викторович Кузнецов, который впоследствии с большим трудом сохранял некогда вверенный ему коллектив производственников долгие годы, несмотря на распад компании «Корвет-Лайтс». Благодаря ему многие участники того коллектива вошли в историю первого отечественного светодиодного производства, равных которому по компетенции и профессионализму вряд ли стоит ожидать в ближайшее время.

Среди вариантов светодиодов, рассматриваемых для стратегического производства, были выбраны в итоге два основных, предложенных Н. В. Щербаковым и В. С. Абрамовым. Чтобы сформировать узконаправленный луч светофорной головки (2–3° по уровню 0,5I_vmax), нужна была оптика с большой оптической силой. Такой могла стать либо реальная асферическая линза, либо ее прообраз в форме линзы Френеля (как и было сделано в прежнем линзовом комплекте светофора на основе лампы накаливания). Однако светодиод не может обладать такой плотностью мощности, как нить накала лампы, и очевидно, что это будет светодиодная матрица. Именно тогда возникла, но не нашла применения для этих целей идея посадки кристаллов на плату («чип-он-борд», или COB), поскольку от групповой линзы отказались сразу из-за нетехнологичности и дороговизны ее производства. И тогда Владимир Семенович предложил сделать такую линзу на торце каждого светодиода и собрать их в матрицы, заполняя площадь светоблока, чтобы необходимым количеством светодиодов сформировать нужную суммарную силу света. Были подняты все возможные специалисты по литью и механической обработке поликарбоната, создана оснастка и сотни опытных образцов. Так был разработан светодиод с линзой Френеля для ж/д светофоров с углом излучения ±1,5° (Патент РСТ/RU99/00389 Luminescent diode devise — узконаправленный светодиод с линзой Френеля) (рис. 3). Одновременно была разработана и технология оптического литья линзовых крышек светодиодов с линзой Френеля из поликарбоната макролона, не имеющая аналогов в мире.

Рис. 3. Слева: светодиод с линзой Френеля (Патент РСТ/RU99/00389 Luminescent diode devise — узконаправленный светодиод с линзой Френеля); справа: светофорные ж/д светоблоки на его основе

В результате стало возможным получение силы света в сотни кандел от одного светодиода в трех градусах по уровню 0,5 от максимума при плотности тока через p-n-переход в 50–60 А/см² (40 мА черед кристаллы 250×250 — 300×300 мкм).

Однако, как выяснилось, на этом вопросы применения светодиодов в ж/д светофорах только начались. И прежде всего «вылезла» проблема существенных температурных зависимостей излучательных и колориметрических характеристик светодиодов, особенно красного и желтого цвета, являющихся самыми ответственными на ж/д. При высоких эксплуатационных температурах падение силы света становилось неприемлемым, а цветность красного на основе GaP при температурах меньше –40 °С «уходила» в область желтого и оказывалась в области неопределенности, не позволяя машинисту локомотива правильно распознать красный запрещающий сигнал светофора. В общем, внедрение светодиодных разработок в РЖД, проводимое командой В. С. Абрамова, было не просто актуальной и насущной потребностью, в сложившейся ситуации оно буквально было неотвратимым, по-другому не скажешь. Причем неотвратимым настолько, что это поколебало сформировавшуюся и упорядоченную за полвека систему стандартов, регламентирующих параметры и требования к светофорам.

Некоторые отмеченные эффекты в светодиодах не могли быть устранены по причине физики работы гетероструктур, но желание применять их было непреодолимым. В результате институт ВНИИЖТ, в лице заведующей лабораторией охраны труда, к. т. н. Мальвы Анатольевны Мурашовой и Ольги Петровны Пинчук под строгим «присмотром» Д. Р. Агафонова и д. ф.-м. н. Раисы Иосифовны Столяревской (руководителя отдела фотометрии, колориметрии и спектрометрии ВНИИОФИ в то время осуществляющей метрологическую опеку над нашими очень скромными знаниями в этой сфере), согласовал проведение масштабного эксперимента по изучению того самого порога верного восприятия красного цвета сигнала относительно желтого машинистами локомотивов, и два летних сезона подряд на подмосковном Щербинском испытательном кольце РЖД [3] институт проверял рабочие качества опытных образцов. Для этого были изготовлены специальные светофорные головки с красными и желтыми светодиодами, в которых предусматривалась возможность формирования управления режимами (значением силы света) любого оттенка в диапазоне от желтого до красного с необходимыми значениями силы света каждого исходного (чистого) сигнала. Этим достигалось «разбавление» исходных цветов в нужной пропорции — в области границ требуемых зон цветности каждого [3] (рис. 4). Система управления светоблоком и регистрации времени, необходимого для достоверного определения цвета машинистом, была разработана и собрана в единый комплекс Генрихом Вачагановичем Азизяном, также принимавшем участие в создании многих вспомогательных узлов измерительного и испытательного оборудования. Он всегда находил для подобных задач весьма остроумные решения. Так, шторка, перекрывающая сигнал светофора от глаз машиниста на пульте наблюдения (за 1 км от самого светофора), была выполнена на основе алюминиевой банки из-под пива.

Рис. 4. Светоблок и устройство управления цветом для проведения исследования

В результате этой работы было установлено, что квазимонохромное излучение светодиодов воспринимается глазом машиниста приемлемо достоверно даже при разбавлении его желтым и границы зоны красного в стандартах РЖД были расширены до необходимого значения, возникающего у светодиодов при отрицательных температурах. Вот что на этот счет было написано в выводах отчета ВНИИЖТ по итогам двухлетнего эксперимента, который был сформирован при участии Д. Р. Агафонова, к. т. н. М. А. Мурашовой, О. П. Пинчук, д. ф.-м. н. Р. И. Столяревской и автором этих строк [3].

«Проведенные исследования восприятия сигналов красного цвета различных цветностей систем светооптических светодиодных позволяют изменить границы области цветности сигналов красного цвета для ССС железнодорожных светофоров в сторону желтого цвета без потери надежности опознавания цвета сигнала машинистом локомотива. Данный вывод является подтверждением предположения об особом подходе к квазимонохроматическому излучению светоизлучающих диодов, используемых в качестве источников света для сигнальных устройств такого уровня, как железнодорожные светофоры, заключающегося в особом восприятии глазом человека узкополосного света и связанной с этим системой стандартов, основанной исключительно на этом восприятии. Расширение допустимой области цветности для красного сигнала светодиодной системы светооптической (ССС) железнодорожных светофоров позволит применять в ССС более эффективные и надежные светодиоды красного цвета свечения».

Это была победа, по значению и масштабам сравнимая с избавлением от татаро-монгольского ига на Руси, которое угнетало народ 300 лет. Фронт работ был открыт, и мы взялись за другие вопросы.

Интересная история сложилась с решением проблемы оптимизации количества светодиодов для снижения температуры светоблока и стабилизации силы света зеленого и белого сигнала на основе нитридных кристаллов Сree МВ. Также по разным технологическим причинам, связанным с монтажом этих кристаллов в лунку держателя, случались отказы отдельных светодиодов на минусовых температурах. Стоит отметить, что обеспечение надежности изделий — давняя «лакомая» тематика Владимира Семеновича. К проблеме подключился Н. В. Щербаков, а операторами установок по посадке кристаллов совместно с В. Г. Звоновым и О. Е. Дмитриевым было перепробовано с десяток вариантов операций посадки-разварки и последующей полимеризации различных компаундов, удерживающих кристалл. Однако надежного решения не удавалось найти. Вертикальная архитектура кристаллов не оставляла шансов на дополнительные варианты обеспечения электрического контакта с держателем, кроме штатной — с помощью токопроводящего клея. «Пойдем пить кофе», — сказал Владимир Семенович, и последующие несколько часов он рассказывал о тонкостях и вариантах технологии посадки кристаллов. Из его рассказа я уцепился за теперь уже известный вариант посадки на эвтектический сплав, но тогда это было экспериментом и применялось в мощных силовых приборах. Поскольку наш держатель с лункой имел золочение, такая посадка должна быть качественной. «Отскочит, — сказал Абрамов, — нужен определенный слой, иначе из-за большой разницы в температурном коэффициенте расширения материалов при застывании припоя кристалл оторвет, как отрывает его при воздействии минусовых температур. К тому же материал омического контакта мог не позволить обеспечить электрический контакт на эвтектику». «Зато не зальет активную область вашими клеями» — подытожил В. П. Сушков, соблазняя отказавшегося к тому времени от сигарет В. С. Абрамова дымным чадом не то «Беломора», не то самосада.

На следующий день я просидел с набором подложек и кристаллов в лаборатории за пайкой. На штатный омический контакт, предназначенный для установки на токопроводящий клей, припаять кристалл не удалось. Зато на противоположный пайка почти всегда оказывалась практически идеальной. Мэтр сам взялся за приварку контакта в цехе, и на нескольких вариантах приварить контактную нить удалось неплохо. После полной сборки образцов первое же подключение показало, что сила света практически удвоилась, а при повышении температуры держателя ее изменение оказалось незначительным. Перевернув кристалл вверх дном, активную область расположили непосредственно на поверхности держателя — таким образом был обеспечен наилучший теплоотвод от нее (рис. 5). Конечно, это было за пределами технологий, практикующихся на предприятии, и промышленным образом производить такие светодиоды было нельзя. Но эффект получился впечатляющим: светодиод зеленого цвета при токе 40 мА через кристалл 250×250 мкм излучал с силой света до 200 кд, а при токе 80 мА (в 4 раза больше штатного) — 290 кд, при этом перегрева активной области кристалла не происходило. И тогда Владимир Семенович произнес историческую фразу, которая для меня означала «звуковую» Нобелевскую премию: «Серега, мы с тобой — гиганты!». Должен сказать, что в дальнейшем нам с Абрамовым, чьи слова звучали для меня как голос самого Альфреда Нобеля, неоднократно удавалось становиться «лауреатами» этой фразы благодаря высокой оценке Владимира Семеновича наших совместных «открытий».

Рис. 5. Схема установки кристаллов типа Cree МВ или ХВ на кристаллодержатель:
а) в штатном варианте;
б) «перевернутый»;
в) штатная посадка кристалла на держатель без лунки.

Впоследствии на производстве был подобран режим приварки контактных нитей к установленным на припой кристаллам и с учетом посадки вручную было изготовлено порядка трех-четырех сотен светодиодов, составивших светофорные системы с силой света, в 6–8 раз превышающей требуемую. Для конца 2002 года такие параметры были недосягаемы ни для кого. Сопротивление и сомнения РЖД в правильности пути, нацеленного на перевооружение предприятия, были полностью развеяны. Это было в стиле Абрамова. Найти и не побояться принять неординарное решение, граничащее с противоречием.

Это открытие дало важные практические результаты и при испытаниях на отрицательные температуры: теперь вся техника на таких светодиодах выдерживала любые испытания. Более того, данное обстоятельство открыло пути к разработке новых приборов для еще более жестких условий. Тематика навигационной и судовой (бортовой) сигнальной техники возникла тогда неслучайно. Богатое морское прошлое, а именно служба на отечественных ледоколах, было у генерального директора «Корвет-Лайтс» Евгения Владимировича Долина и его коллеги по морскому делу, работавшего токарем, Владимира Михайловича Волкова. Поэтому в «Корвет-Лайтс» не было офиса и кабинетов. Там был капитанский мостик, рубка, машинное отделение, каюты и даже камбуз. Переступая комингс кают-компании, вы попадали к штурману Абрамову и капитану Сушкову. Вполне логично, что очередная удачная волна разработок светодиодов придала всему «судну» компании соответствующий дифферент и из трюма посыпались задачи морского и речного применения. Здесь важно отметить большую конструкторскую работу, выполненную Алексеем Алексеевичем Ивановым (забегая вперед), ставшим впоследствии близким соратником Владимира Семеновича в реализации идей его последующих разработок. В КБ «Корвет Лайтс» были разработаны специальные светодиоды с круговой диаграммой пространственного распределения, используемые в плавучих буях (рис. 6) и створных огнях. Малое потребление электроэнергии светодиодами, позволяющее использовать имеющиеся штатные средства автономного питания в течение всей навигации без подзарядки, сразу покорило сердца технических служб морской навигации, и компания получила заказ на разработку берегового маяка с силой света 1,5 млн кд и оборудование средств морской навигации светодиодными огнями от Главной маячной службы ВМФ и ГУНИО ГНИНГИ. А также пожаробезопасного светильника для аварийного освещения подводных аппаратов совместно с НПО «Малахит» и фонаря для подводных съемок с возможностью корректировки спектра излучения в зависимости от оптической проницаемости водной среды.

Рис. 6. Светодиод для плавучих буев с круговой диаграммой пространственного распределения силы света

В ходе реализации всех вариантов светодиодов для указанных целей большинство этих разработок вошло в поистине исторический документ, являющийся одним из самых важных итогов всех начинаний.

Н. В. Щербаковым и В. С. Абрамовым была подготовлена соответствующая техническая документация для формирования ТУ на новый тип светодиодов. Эти техзадания включали возможность производства приборов с приемкой «5». После ряда испытаний с целью подтверждения указанных характеристик межведомственная комиссия с участием представителей РЖД, ВМФ и других заинтересованных ведомств утвердила ТУ на новый отечественный светодиод с литерой КИПД73. С этого момента наш светодиод приобрел официальное имя и статус.

Поскольку все обозначенные разработки были реализованы в течение нескольких лет, появился некоторый опыт их использования непосредственно в изделиях и различных лабораторных экспериментах. Присутствие В. П. Сушкова при всех работах демонстрировало его постоянный научный интерес ко всему, что было связано с контролем параметров применяемых кристаллов, которых было перепробовано множество типов в различных тепловых и электрических режимах. Его выводы по анализу полученных данных были чрезвычайно важны, поскольку надежность производимых светодиодов не могла быть пущена на самотек. И в определенный момент именно он весьма аргументированно обратил внимание на некую обратную сторону «медали», когда, кроме погони за параметрами, просто необходимо было понимание того, как будут влиять те или иные режимы работы излучающих структур в светодиодах на их характеристики со временем наработки. И снова «списать» было не у кого — сколько-нибудь значимого мирового опыта, не то что отечественного, на этот счет не было. И снова предлагалось все исследовать с чистого листа — другого пути не существовало. В. П. Сушков взялся за моделирование параметров используемых гетероструктур, что впоследствии позволило получить множество ответов на вопросы о причинах деградационных явлений в зависимости и от архитектуры активной области, и от режимов ее работы, и от результатов воздействия операций посадки-разварки на производстве [8]. В качестве практической части этих исследований было решено инициировать большой научно-технический эксперимент по изучению поведения различных характеристик светодиодов при наработке в связке с теоретическими расчетами параметров гетероструктур. Для этого на нашем производстве были изготовлены светодиоды специальной конструкции на основе множества самых популярных кристаллов из материалов твердых растворов группы А^IIIB^V, которые после тщательного измерения всех возможных характеристик были установлены на наработку при различной плотности тока через p-n-переход. Курировал этот заказ для нашего производства, а также отбор образцов по особым условиям к. ф.-м. н. Андрей Николаевич Туркин. Следует отметить, что этот эксперимент, начавшийся в 2004–2005 году, продолжается и сейчас силами лаборатории «Архилайт». В этой «коллекции» имеется ряд образцов, сохранивших свою работоспособность даже после 15–17 лет непрерывной работы (приблизительно 130 000–140 000 ч).

Некоторые результаты наших исследований в то время использовал в своих работах д. т. н., профессор МГУПИ Игорь Вениаминович Рыжиков, дополняя наши изыскания воздействием на светодиоды гамма- и бета-излучением и оценивая радиационную стойкость гетероструктур из различных твердых растворов группы А^IIIB^V.

Работа по исследованию деградационных явлений в излучающих структурах, начавшаяся в «Корвет-Лайтс» под руководством В. П. Сушкова и В. С. Абрамова, после распада этой компании была продолжена мной и впоследствии привела к множеству важных и необходимых для производства гетероструктур и светодиодов на их основе научно-практических результатов.

На основе полученных итогов этих исследований в 2005–2006 годах был разработан и обоснован фотометрический метод изучения изменений излучающих свойств гетероструктур на основе твердых растворов AlGaInP и AlGaInN у кристаллов различных конструкций [6]. С помощью этого метода, основанного на прецизионном измерении пространственного распределения силы света излучателей, впервые нами было зафиксировано не столько изменение значения светового потока со временем наработки, сколько его перераспределение по объему фотометрического тела источника, причину которого удалось объяснить моделированием параметров гетероструктур и измерением комплекса характеристик в процессе длительной наработки светодиодов. Стоит отметить также большую и творческую помощь в проведении моделирования и расчетов, предоставленную тогдашними аспирантами профессора В. П. Сушкова — Олегом Игоревичем Рабиновичем и Александром Леонидовичем Архиповым. Последнего Владимир Семенович «натаскивал» в стенах преемника «Корвет-Лайтс» — компании ACOL в процессе работы над созданием излучателя на основе лангасита и кристалла, охлаждаемого Пельтье-элементом.

Однако наша совместная деятельность с В. П. Сушковым и В.С. Абрамовым продолжалась. В последующий год под их руководством была разработана методика отбора образцов излучающих кристаллов и светодиодов для проведения экспериментов по определению деградации, позволяющая осуществлять определение свойств излучающих структур в диапазоне плотностей тока через p-n-переход до 120 А/cм². Установлены основные типы производственных и технологических дефектов (несоблюдение технологии монтажа излучающего кристалла: посадка на основание, приварка контактных проводников, температурные режимы сушки и полимеризации эпоксидных составов и условий проведения ускоренного старения и т. д.), являющихся причиной возникновения деградации параметров светодиодов, не связанной с исследуемыми в работе механизмами ее появления.

При моем непосредственном участии в экспериментах на массовых китайских производствах светодиодов были опробованы и проверены идеи, заложенные в методики сортировки приборов по потенциальной степени деградации параметров. В результате использования этих методик получены основные выводы по физическим процессам в излучающих структурах, приводящим к деградации параметров, и их связь с характеристиками светодиодов до наработки. И что весьма важно, на основе этого была составлена система режимов измерения параметров при сортировке светодиодов на производстве с помощью стандартных сортировочных машин, которые позволяют достоверно отделить экземпляры, имеющие потенциально большие показатели деградации или способные в дальнейшем выйти из строя, хотя изначально удовлетворяющие всем требованиям. Данная методика позволяет сделать достоверный прогноз качества изготовленных светодиодов и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе [10]. Предложенные методы сортировки на производстве не несли ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала — все только с использованием штатного оборудования. Логическим продолжением и развитием исследований и работ по этой теме, несмотря на скоропостижную кончину В. П. Сушкова в августе 2012 года, стали две мои диссертационные работы, которые, конечно же, посвящаются этим двум великим и талантливым людям — истинным мэтрам.

Корни таланта

Владимир Семенович много рассказывал про свое послевоенное грузинское детство в тогдашнем Тбилиси. Он прекрасно знал, чтил и ценил традиции, культуру и реальную жизнь грузинского народа. Он великолепно готовил еду, разбирался в грузинской кухне и говорил по-грузински. Бесконечно интересные, наполненные юмором нескончаемые истории из той жизни, звучащие с едва заметным грузинским акцентом, можно было слушать часами. Он много рассказывал про грузинские застолья, праздники, выращивание винограда и производство домашнего вина. По его словам, его дед будто бы даже был хорошо знаком с самим Нико Пиросмани. Однажды, среди прочего, он рассказал про интересную местную традицию какой-то горной области Грузии — дарить на свадьбу молодоженам мешок еще живой горной форели. Это было связано с ее исключительной живучестью даже при отсутствии воды. Она показывала молодым пример того, что даже в безысходной ситуации их новой семье нужно уметь выживать. Естественно, перед этим мы услышали о том, как они с товарищем эту форель ловили в реке и везли потом на мотоцикле на свадьбу их друга. Можно представить, что в исполнении участника тех событий повествование велось так, что слезы от смеха выступали уже после первых слов. Но, несмотря на это, я хорошо запомнил и предположил, что подобная традиция годится не только для молодоженов. Мудрость предков передается в поколения через такие традиции, и очевидно, что природные возможности этой рыбы, о которой современники знают, к сожалению, только по стейкам в магазине, заложены и в самом грузинском народе, и следовать которым своим примером нам в каждом рассказе об этом настоятельно рекомендовал Владимир Семенович.

Продолжение «грузинской» темы его рассказов было в проводимых в советское время в Тбилиси конференциях по полупроводникам. Большинство тех, о ком мы упомянули в предыдущей части, приезжали на эти мероприятия и останавливались у Владимира Семеновича, у чья семья в то время имела собственный дом в тех краях. Эти «камерные» секции конференций посещал однажды и сам Жорес Иванович Алферов, у которого с этой командой молодых тогда ученых был очень тесный контакт. Уже потом, в 2000-х годах, основным и единственным мероприятием по излучающим полупроводникам и их проблемам стала конференция «Нитриды галлия и алюминия. Структуры и приборы» под научным патронажем д. т. н., профессора МГУ Александра Эммануиловича Юновича, проводимая раз в два года попеременно то ленинградским институтом Физтех им. А. Ф. Иоффе, то московским МГУ им. М. В Ломоносова. А в то время такие тематические конференции проходили гораздо чаще. Примерно восемь лет назад я уговорил Владимира Семеновича рассказать для нашего журнала про те интереснейшие времена, чтобы из первых уст донести до читателей ту атмосферу [12]… Поэтому далее я приведу выдержки из его рассказа и из того, что осталось «за кадром».

Всем интересна предыстория великого открытия эффекта излучения от p-n-перехода, которое заслужило Нобелевскую премию…

«Конечно, такие высокие слова прежде всего относятся к Жоресу Ивановичу Алферову, ко всем известному Валерию Петровичу Сушкову. Я тут занимаю более скромное место. А начиналось это все для меня случайно. Мне было совершенно непонятно, как может кусок полупроводника, непрозрачный, тот же арсенид галлия, светиться. До этого я занимался газовыми лазерами, и очень успешно. Это было во Фрязино. В то время один мой очень талантливый коллега, которого как раз можно причислить к когорте великих физиков, перешел работать в Москву.

Ему было нужно измерить некоторые параметры вот в этих самых непрозрачных материалах: арсенид галлия, галлий-алюминий-мышьяк и т. д. Нужно было изготовить специальный лазер, тогда они еще не продавались. Для этого пригласили меня, и я сделал газовый ИК-лазер (невидимого инфракрасного диапазона). В результате они измерили то, что хотели, а я думал, что всю жизнь буду заниматься лазерами. Но, закончив эту работу — измерения времени жизни носителей, который газовый лазер может с очень высокой частотой генерировать, — я получил предложение перейти на полупроводники. Для меня это было поначалу совершенно непонятно, я оканчивал Университет (МГУ), и основным направлением у меня была оптика. Поэтому пришлось одновременно работать и ходить в МГУ на курсы Бонч-Бруевича (рис. 7).

Рис.7. Молодость и наука в одном лице

И так постепенно я, наконец, увидел и понял, что такое излучающий р-n-переход. А дальше очередной поворот судьбы, который коснулся очень многих людей. Жорес Иванович Алферов и Валерий Петрович Сушков проходили практику в США, где они близко познакомились и решили, что путь, который надо пройти, достаточно длинен и нужны люди, которые уже что-то понимают в этом излучающем спектре. По их возвращении состоялась большая конференция, на которой просто предложили директору того предприятия, где работал В. П. Сушков, заняться некогерентной оптоэлектроникой. Жорес Иванович работал с когерентной оптоэлектроникой, было такое разделение — они делали лазеры, а мы некогерентные светодиоды, индикаторы и т. д.

Вот такое было начало. А далее наш министр «проинтуичил», что у этого направления большое будущее, и наш институт «Сапфир» сделал головным по некогерентной оптоэлектронике и объединил с нами несколько заводов — «Старт», «Протон» (г. Орел) и другие, которые должны были на основе наших разработок выпускать продукцию. Кстати, на этих заводах тоже велись собственные разработки. Так организовался колоссальный конгломерат — Новосибирск, Томск, Фрязино, Орел, Москва, Воронеж… Все эти организации занимались некогерентной оптоэлектроникой, ну а когерентной — институт им. Стельмаха «Полюс» в Москве и т. д.

Первые весомые шаги были сделаны в 1973–1974 годах, когда мы поняли, что нужно по-новому строить производство, нужно, чтобы светодиоды разрабатывались на оборудовании, подобном тому, на котором разрабатывались интегральные схемы и гибридные микросхемы. Где-то к 1980 году у нас был такой полупроводниковый модуль — А³Б⁵, где шла вся линейка — от роста и до готовых приборов».

До получения Нобелевской премии оставалось еще около 30 лет… Но тогда уже с этим излучением, о котором мы начали говорить, знали, что делать. И естественно, что этим занимались и за границей. Каким был взгляд из-за рубежа?

«Я рассказал о научно-производственном направлении. Но Академия наук в лице Жореса Ивановича (он уже тогда стал членкором РАН) очень четко отреагировала на это, и при РАН была сформирована секция по изучению материалов А³Б⁵, в ней были представлены все союзные республики. Секция собиралась два раза в год, и один раз в год проходила конференция в какой-либо республике. Привлекались местные ученые, и это было достаточно широкое сборище. То есть это дело пустило корни.

За время существования этой секции мы приняли участие в двух международных конференциях. Первая проходила в МГУ, и на ней мы увидели всех тех, кто стоял у истоков. Доклады, которые делали советские ученые (лаборатория Алферова, Московский университет и т. д.) имели колоссальный рейтинг. Иностранцы все фиксировали, потом требовали соответствующую литературу, и на этих конференциях завязывалось очень много контактов. Мы стали печататься в иностранных источниках. Уровень наших ученых именно в этой области был настолько высок, что когда наше советское хозяйство развалилось, очень много народу оказалось в лабораториях заводов США».

Вот что писал о том времени и о тех событиях еще один великий ученый-практик, фрязинец к. х. н. Наум Петрович Сощин (рис. 8) в своем материале «Мой добрый знакомый Судзи Накамура», опубликованном во фрязинской газете «Ключъ» в 2014 году. В своей статье он устанавливал связь той известной Нобелевской премии за белый светодиод, доставшейся Накамуре, Акасаки и Амано, с тем, откуда у этого открытия «растут ноги». Очевидно, что та премия имеет «и фрязинско-московские корни», не говоря уже о достижениях ленинградца О. В. Лосева.

Рис. 8. В лаборатории «Архилайт». Февраль 2018 года. Слева направо: В. С. Абрамов, С. Г. Никифоров, Н. П. Сощин, А. Л. Архипов

«Что особенно приятно отметить в нынешней японской светодиодной премии, так это ее реальные фрязинско-московские корни. Они связаны с именем Владимира Семеновича Абрамова, фрязинского специалиста, физика по газовому разряду и безудержному юмору (Володя Абрамов состоял наряду с А. Штейном, В. Михайликом, В. Ульяновым, Р. Поповым и С. Кречетом в составе легендарной городской команды КВН). Затем В. С. Абрамов стал начальником комплекса в НИИ-311 (ныне — ОАО «Сапфир»). Здесь совместно с В. П. Сушковым они изобрели первый нитридный светодиод со стоксовым фотолюминофором. Это был прообраз белых и других разноцветных светодиодов. К этому времени во всем мире одной из основных проблем физики было создание синих и фиолетовых излучателей для больших экранов и для лучевых лазеров. Изобретение бывшего фрязинца В. С. Абрамова было высоко оценено нашим министром А. И. Шокиным, который предложил существенно расширить работы по нитридным гетероструктурам в СССР и создавать на этой прочной основе излучатели зеленого цвета…

Как всегда, советские ученые опередили свое время. Когда-то в Ленинграде профессор Н. А. Горюнова обосновала уникальное будущее алмазоподобных полупроводников, в том числе фосфидов, арсенидов, нитридов элементов третьей подгруппы периодической системы элементов Д. И. Менделева. В ее работах было впервые показано, что нитриды или фосфиды, имея меньшую запрещенную зону, чем широкозонный карбид кремния, должны быть более эффективными в качестве светодиодов. Необходимо было разработать оптимальную технологию создания этих соединений. И в конце 1960-х годов жидкостную эпитаксию полупроводниковых гетеропереходов, в том числе фосфидов и арсенидов, разработал Жорес Алферов в том же Физико-техническом институте, после чего яркие красные арсениды стали непременными атрибутами информатики: многочисленных красно-оранжевых табло и бегущих строк. Все созданные к тому времени светодиоды были миниатюрными точечными источниками света, поэтому из них стали набирать цифровые индикаторы для наручных часов или калькуляторов. Специалисты из московского НИИ-311, сподвижники В. С. Абрамова, выдающиеся ученые и технологи Ю. Р. Носов, Н. В. Щербаков и профессор Л. М. Коган из московского «Старта» осчастливили советских автомобилистов яркими красными стоп-сигналами и дальномерными полупроводниковыми лазерами. На основе необычных и неизвестных в природе А³В⁵-соединений ими были созданы инфракрасные мощные прожекторы, необходимые и в устройствах слепой посадки вертолетов, и при охране государственной границы. Так что советско-русский след новых светодиодов прослеживается очень ярко. Бывший фрязинец и нынешний москвич В. С. Абрамов сегодня активно конструирует светодиодные светильники и сотрудничает с крупными немецкими и корейскими компаниями. Он продолжает свои открытия в светодиодах, предложив недавно уникальные нитридные гетероструктуры на подложках из «русского монокристалла» лангасита, что мгновенно было зафиксировано Патентным ведомством США, Японии, Кореи серией пионерских патентов».

Немного слов в продолжение темы создания и использования лангасита и эффекта Пельтье. В то время, чтобы удовлетворить требованиям нормативных документов РЖД по цветности светофоров, которая, как было сказано выше, не получила высокостабильного источника в виде светодиодов (полупроводниковых монохромных источников света), необходима была стабилизация температуры p-n-перехода в отрицательной области температур, вне зависимости от температуры окружающей среды. С этой целью в 2005–2006 годах преобразованной группой В. С. Абрамова была предпринята попытка разработать лампу на основе светодиодных источников света — полный аналог лампы накаливания ЖС 12 15+15. В конструкции лампы был применен электрический способ переноса тепла от p-n-перехода к радиатору посредством использования эффекта Пельтье (Патент № 2008129653). Однако наличие большого количества электронных компонентов и связанные с этим технологические проблемы не позволили довести данный проект до логического завершения.

То есть за рубежом понимали, за чем будущее. Но, понимая, что у них не хватает научного ресурса, они начали черпать его в России.

Да, им не хватало именно научных ресурсов. А оснащение у них было, конечно, куда лучше. Когда в России наступила свобода передвижения, мы, наконец, увидели то оборудование, о котором всегда мечтали. Несмотря на то что у нас было очень неплохие лазеры и оборудование для некогерентной оптоэлектроники, в какой-то степени та самая МОСVD-технология не пошла. Конечно, были кое-какие работы (тот же институт им. Стельмаха «Полюс»), но крупный порыв пошел именно из-за рубежа. Германия первая сделала «суперстанок» и дальше все, что касается применяемых в этой машине ингредиентов (газы и т. д.). В свое время в Подмосковье был прекрасный завод по очистке газов и других ингредиентов до высокой степени, но где-то в 1991–1993 годах его не стало. В этом смысле мы разработали главное — основу того, откуда получается кристалл, то есть сырье и технологию и т. д. У нас было очень много патентов и статей, и в этом россияне шли впереди.

Подытоживая, можно сказать, что к нашим разработкам иностранцы проявляли большой интерес и, возможно, такое технологическое предложение, которое было сделано с точки зрения газофазной эпитаксии, пошло оттуда потому, что технологии у них в то время были более развиты, чем у нас.

Я хотел бы уточнить: что касается собственно эпитаксии, мы были «впереди планеты всей», но жидкофазная эпитаксия не давала той структуры поверхности, которая позволяла бы путем фотолитографии получать «тонкие вещи» — малые размеры p-n-переходов и т. д. Поэтому в 90-х мы просто остановились.

Конечно, были кудесники, которые придумывали технологии (в лаборатории Алферова, в Калуге), с помощью которых получали почти такие же узкие ямы. Но процент выхода был неоправданно малым.

То есть в какой-то момент стало ясно, что дальнейшее развитие всей идеи и всей отрасли промышленности уже за газофазной эпитаксией. И здесь мы физически отстали. Потому что у нас в 90-егоды объективно почти вся промышленность встала и развалилась. Таким образом, начиная с этого момента, мы констатируем, что та остроумная идея, которая была реализована — излучение из полупроводника как таковое, — и лидерство переползли на Запад с нашей территории. И тут следует задать вопрос: а что же делать дальше?

На мой взгляд, очень трудно будет найти какой-либо путь, который позволил бы подняться нам на тот уровень, который был. Что касается дальнейшего развития, я думаю, что в какой-то момент технология дойдет до уровня, когда можно будет получить максимальный КПД. И в результате этого практически весь остальной арсенал излучающих приборов перейдет на полупроводниковое излучение. Сегодня средний уровень отдачи от тех приборов, которые существуют «в природе», выше всех ламп накаливания и т. д., но еще не больше, чем у газоразрядных ламп. И чтобы действительно была достигнута мощная экономия, надо выйти на уровень КПД порядка 80%. Сегодняшний переход на всякие излучающие приборы для освещения в квартире не выдерживают никакой критики, это и дорого, и сильно зависит от изготовителя, и не приносит тех ощутимых результатов по экономии электроэнергии, которые ожидались.

Таким образом, нужны идеи, как вырастить полупроводник с внешним квантовым выходом 80%.

Но ведь теоретически это возможно? Внутренний квантовый выход составляет 100%. Сжигая, скажем, дрова или свечку, понятно, что мы не получим 100%-ный выход… А здесь возможно. И мы говорим, что эта технология полупроводникового света, в общем-то (пусть мы пока не знаем, какими средствами), теоретически должна быть впереди других.

Возвращаясь к началу нашего разговора, давайте подчеркнем, что в те времена никто даже подумать не мог, что идея применима для освещения. Получили излучение и эффект, мысль работает. Но я сомневаюсь, что в 70-е годы кто-то мог себе представить светодиоды в уличных фонарях.

Абсолютно точно. Но в те годы стояла другая задача, и предполагаемые тогда применения были полезны не для большинства людей, а для специальных применений (в военном деле). И тогда были сделаны интересные линейки с шагом 20–30 мкм, которые потом работали на принципе сканера: на них подавалась информация со спутника, под ними проходила бумага и они передавали прямо то, что спутник снял на другой стороне земного шара. Чтобы светодиоды засветили в уличных фонарях, понадобилось 15 лет. Сначала нужно было сделать белый светодиод. Еще в 1977 году на нашем предприятии был получен патент по первому полноцветному излучателю (рис. 9). Не сразу стало понятно, что в конце концов свет будет очень ярким, так как и сам GaN, который мы тогда пытались сделать, и люминофор для покрытия давали очень малый внешний квантовый выход. Поэтому об освещении мы и не задумывались. Где-то в 1993–1994 годах японцы сделали такой люминофор и первыми (хотя все это основывалось на разработках советских ученых) сделали GaN с p-n-переходом, покрыли своим люминофором, и все началось… Это и привело к тому, что сегодня мы видим светодиоды в фонарях.

Рис. 9. Авторское свидетельство «Способ изготовления многоэлементных электролюминесцентных полупроводниковых источников света», 1977 год

Следует, наверное, говорить об общемировом опыте, поскольку получилось так, что авторство дифференцировать сложно: открыли эффект у нас, где-то GaN сделали по-другому и увидели, что это уж точно лучше спиральной лампочки. Теперь надо идти дальше (рис. 10).

Рис. 10. На выставке «Интерлайт» в 2008 году

Историческая справка из статьи О. И. Рабиновича [5]

В 1977 году советские ученые В. П. Сушков, А. С. Адонин и В. С. Абрамов совершили интересное открытие, относящееся к технологии полупроводникового приборостроения.

Целью работы было создание многоцветного источника света с перекрестной коммутацией и увеличение числа излучающих элементов. Поставленная цель была достигнута таким образом: после операции нанесения металлических контактов в одном из направлений проводили разделение p-n-переходов, например, путем вытравливания полосок в GaN до Al₂O₃, а в перпендикулярном направлении соединение p-n-переходов осуществляли после нанесения с обратной стороны подложки против отдельных p-n-переходов стоксовского люминофора для преобразования синего и ультрафиолетового излучения в более длинноволновое видимое излучение, в частности белого свечения.

Свое мнение об уровне тех работ составил и д. т. н., профессор МГУПИ Евгений Наумович Вигдорович — современник тех событий и один из создателей Зеленоградской школы отечественной науки об излучающих структурах, а также главный идеолог деятельности весьма известного тогда предприятия «Элма-Малахит», на котором в том числе велись производственные эксперименты по эпитаксии.

«Можно говорить, и в принципе так и говорили, что все-таки первыми эту идею с применением люминофора озвучили Сушков и Абрамов. В то же время говорят и другое: а что же вы проморгали? Надо было через 20 лет авторское свидетельство перевести в патент, и тогда никаких разговоров бы не было. А через 20 лет авторское свидетельство потеряло силу. Но все это формальные вещи. В остальном алферовцы, конечно, вправе сказать, что гетеропереход, сделанный на нитриде галлия, — это наша идея.

Если сделать шаг немного в сторону от светодиодов — да, Накамура приложил большие усилия, чтобы сделать светоэффективный материал, чтобы получить синее излучение. Тот люминофор, который в люминесцентных лампах, не годится, хотя идея та же — стоксовский эффект и т. д. Но у кого возникла идея, как сделать этот люминофор эффективным?

Здесь обязательно нужно сказать о Науме Петровиче Сощине, поскольку и по длительности, и по качеству работ в этом направлении существующий на сегодня люминофор разработал именно он и пытается сейчас сделать в промышленном варианте наиболее эффективный для синих и фиолетовых излучателей. Здесь опять заслуга советских и теперь уже российских ученых.

В 90-е, когда все рушилось прямо на глазах, а мы ходили беременные идеями, все же существовали предприятия — к примеру, тот же «Корвет», где все было сконцентрировано, «Протон», который выстоял… «Пульсар», Фрязино… Можно ли рассуждать о том, что именно эти предприятия в 90-е годы не дали умереть идее на нашей земле?

Да, я думаю, что они как раз смогли идею уберечь. Но они не смогли выйти на уровень количества при сохранении качества. Вот в чем беда. Частным предприятиям нужны большие вложения. Одна установка для MOCVD (ГФЭ) стóит под $2 млн, а их надо несколько, а потом еще газы и т. д. Так что в конечном итоге они не выдержали конкуренции с «великой китайской стеной». Но все эти места — конгломераты, объединявшие ученых, и были хранилищами идей, пролежавших там до нынешнего дня.

Интересно ваше мнение о том, есть ли какие-то предпосылки к появлению совершенно новой технологии?

Именно для того, чтобы нам вырваться вперед, нужно принципиально новое решение вариантов получения полупроводникового материала с таким высоким КПД. Есть всякие наметки, есть подозрение, что этим кто-то занимается. Когда совершенно четко определились с тем, что вышли на уровень 60% на MOCVD-технологии, стало ясно, что нужно найти что-то новое. Вспомните, как быстро прогрессировали от 20 до 80%, а с 80 до 85% — прошли годы. Теперь нужна какая-то идея, и, я думаю, она уже кое-где созрела.

Еще одно очень интересное направление — OLED. Единственное, на мой взгляд, это будет очень интересно только в сочетании с неорганической светодиодной тематикой, потому что с OLED невозможно работать на морозе, а все, что находится внутри помещений — это реально. Достигнут достаточно высокий уровень результатов, но все же мы в большинстве своем северная страна, и нам надо бы –60 °С.

Светодиод стал интеллектуальным, поскольку к нему примешалась светотехническая составляющая, которую надо держать в голове. Мы все и, насколько я знаю, даже Валерий Петрович Сушков, были вынуждены освоить все эти характеристики и параметры излучения, иначе мы не могли бы понять результат — полученный КПД и прочее. Еще в то время было ясно, что самая большая проблема и единственное спасение, которое позволит развить всю эту тематику, — объединить в одной голове две науки: физику полупроводника и светотехнику. Выскажу такую мысль: мы уже признали, что светодиоды являются светотехническим устройством, но у нас не оказалось школы таких специалистов, которые имели бы в своей голове интегрированные знания. Как вы считаете, что мы могли бы здесь сделать?

Конечно, было бы очень хорошо, если бы такое направление появилось в МГУ, МИСиС, МЭИ, в московском Физтехе. В Питере Жорес Иванович организовал некую школу, которая готовит примерно таких специалистов… Но это действительно серьезная проблема. К примеру, народ уже начал рассматривать, как же влияет та или иная лампа на здоровье человека. Рождаются всякие ответвления этой науки, которые изучают, можно ли этот полупроводник с его светом употреблять для работы ученика за партой, то есть обозначился уход еще и в медицину. Поэтому так много параметров. Раньше-то мы не задумывались, яркий ли свет и так далее. Оптоэлектроника должна подразделяться на различные составляющие. Человек действительно должен в голове держать внешний квантовый выход, свет, длину волны, изменение параметров от температуры, изменение параметров от токов и т. д. И, естественно, должно быть знание физики структуры этого излучения.

Вот я и хотел обозначить эту проблему: у нас люди знают либо одно, либо другое. Есть компетентные организации, которые знают светотехнику, но нельзя компетентно провести исследования, если не знаешь, что и как у тебя там светится, чего ожидать. И это становится тормозом, даже идеологически. То есть некомпетентное представление этих идей там, где принимаются решения, приведет к тому, что не будет дан ход НИОКР и т. д. Кстати говоря, сейчас мы уже доверяем светодиодам и светофоры, и медицинские исследования…

До чего светодиод докатился… В нашем разговоре мы не отметили самое главное — качество и долговечность. Если мы ставим лампу накаливания в светофор для ж/д, где от работы этого светофора очень многое зависит, мы должны быть готовы к тому, что она прослужит максимум 1000 ч. В таком применении трудно представить что-либо, сравнимое со светодиодом, потому что гарантированно в течение 50 000 ч светофор будет работать так, как ему положено. Длительный срок службы — одна из главных причин того, что светодиоды вытесняют очень многие излучающие элементы, а не только лампы накаливания, именно там, где требуется четкая работа в течение десятков тысяч часов и энергоэффективность. И мы сегодня как раз работаем над тем, чтобы сделать прямую замену лампам накаливания в ж/д светофорах.

Новые лампы на старые рельсы

В 2011 году был запущен проект разработки новой лампы для ж/д светофоров. РЖД создала собственную структуру для этих целей, в которой работала прежняя бригада специалистов, «осевших» в ней после распада «Корвет-Лайтс». Лампой занимались В. П. Сушков, В. С. Абрамов, А. А. Иванов и я, параллельно развивая дела в лаборатории «Архилайт». И снова идея, реализованная в первом варианте лампы (помимо применения белых светодиодов с люминофором), содержала уже знакомый абрамовский почерк: ввернуть в изделие традиционные светодиоды, но так, чтобы они работали в неординарном режиме. Самая важная новация состояла в нетривиальном подключении светодиодов — в виде выпрямительного моста прямо к переменному напряжению питания светофора. Убедить Абрамова, что так нельзя, было невозможно. Валерий Петрович Сушков загрустил. «Светодиод — это ведь диод, — говорил Владимир Семенович. — Вот и пусть выпрямляет и одновременно светит». И тогда Сушков произнес сакраментальную фразу: «Заставить выполнять двойную работу излучающую гетероструктуру еще не удавалось никому». В результате все оказалось гораздо лучше, чем ожидали, и работало без нареканий. К тому же был оформлен Патент на изобретение № 2444676 (Светодиодный источник излучения), а впоследствии — в 2013 году, еще и Патент №133652. Конструкцию лампы и компоновку элементов разработал Алексей Алексеевич Иванов. Последующие варианты корпуса излучателя и топологии платы изменялись незначительно: принципиальные идеи конструкции были заложении А. А. Ивановым именно тогда (рис. 11). Эта светодиодная лампа для ж/д светофоров имеет название RSL.

Рис. 11. Светодиодная лампа для ж/д светофоров RSL

Дальнейшие исследования параметров этой лампы, и особенно режимов светодиодов при таком подключении, показали массу выгодных моментов. Моделирование параметров инжекции в активную область при аналоговом смещении и расчеты Сушкова также привели к выводу, что весьма выгодно использовать низкое динамическое сопротивление светодиода, особенно при переходе синусоиды через 0.

В том году конференция «Нитриды галлия и алюминия. Структуры и приборы» проходила в Санкт-Петербурге, и мы решили подготовить доклад по нашим наработкам [7]. Это был звездный час в компании таких соавторов. Основные выводы наших изысканий опирались на высокие требования по надежности и безопасности (критерии опасных отказов) к любым устройствам СЦБ РЖД, которые не позволяют применять в представляемой лампе каких-либо дополнительных электронных устройств помимо излучающих кристаллов, диодов, или элементов с одним p-n-переходом. Но все светофоры имеют питание от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением ~12 В. Поэтому было предложено использовать в лампе питание излучающих кристаллов непосредственно переменным током. При параллельно-последовательном соединении шесть кристаллов образуют одно- или двухполупериодный выпрямитель, оптический отклик которого имеет форму пульсирующего светового потока с частотой 50 или 100 Гц. Совершенно понятно, что глазу не заметна такая пульсация, а кристаллы работают в импульсном режиме со временем импульса t = 20 мс и приблизительной скважностью Q = 2. В таком режиме с синусоидальной формой напряжения наиболее выгодным будет применение излучающих кристаллов с минимальным динамическим сопротивлением при использовании рекомендованной производителем плотности тока 30–40 А/см², как имеющим наибольший внешний квантовый выход при прочих равных условиях.

Рис. 12. На выставке «ЖД Экспо 1520» А. Л. Архипов, В. С. Абрамов, А. А. Иванов

…И именно работа над лампой прямой замены для ж/д светофора стала не только объектом новых проектов Владимира Семеновича, но и предметом неустанной заботы, которую он проявлял до последней минуты, занимаясь  ее внедрением в стройную систему СЦБ РЖД. Переориентация разработки на другую идеологию связана с отсутствующей возможностью производства светодиодов и с желанием минимизировать существенную стоимость внедрения светодиодных матриц, которая с самого начала была серьезным препятствием к внедрению. Развитие белых светодиодов на основе стоксовского люминофора позволило использовать переизлучение синих кристаллов люминофором совместно со штатными линзовыми комплектами ж/д светофоров без каких-либо дополнительных фильтров и линз [11]. При этом установка таких ламп осуществляется штатной заменой, поэтому стоимость замены становилась равной нулю. Одним из самых значимых событий по популяризации уже достаточно отработанных вариантов ламп стала выставка «ЖД-Экспо 1520», прошедшая на Щербинском испытательном кольце осенью 2013 года (рис. 12). По интересному стечению обстоятельств именно здесь и ровно 10 лет назад получило начало новое направление применения светодиодов в светофорах РЖД. Это был «знак свыше», подтвердивший правильность выбора направления еще в те годы. Участником выставки стала компания «Эконекст», созданная для проведения НИОКР светодиодной лампы для РЖД. Мы, затаив дыхание, ходили по зданиям испытательного комплекса и плоского поля-тарелки диаметром около 2 км, окаймленного железной дорогой, где когда-то провели с сотрудниками ВНИИЖТ и Валерием Викторовичем Кузнецовым целых два лета испытаний. И, как показала история, именно тогда от каждого из нас зависела судьба этого грандиозного начинания, которому Владимир Семенович, а вместе с ним и мы — тогдашние подмастерья, посвятили последующие 20 лет (рис.13).

Рис. 13. 2013 год, уходящий от нас на той фотографии, оказался очень плодотворным. Было сделано многое для продвижения лампы в РЖД

В 2014 году наконец удалось получить для лампы один из самых заветных для поставщика любой продукции на РЖД документ — Доказательство безопасности (ДБ). Его Владимир Семенович добывал, прилагая титанические усилия, — сам ездил на все испытания, в другие города и даже страны (натурные испытания проходили на прибалтийской железной дороге в районе Риги) и провел немало времени в лаборатории, где формируется аналог воздействия разряда молнии. Лампа, как и ее создатель, все это выдержала.

Однако жизнь снова потребовала разработать такие устройства, в которых невозможно было обойтись без нетривиального решения. И заказчики этой разработки обратились по адресу. Необходимо было создать высокоэффективный светодиодный источник света с огромной плотностью мощности излучения в малом объеме светящего тела. Очевидно, что обычным светодиодом или матрицей эту задачу не решить.

Существующие на сегодня технологии получения белых оттенков света на основе полупроводниковых излучающих структур предполагают прямое нанесение люминофора на поверхность светодиода синего цвета либо использование так называемого метода удаленного люминофора, предполагающего взаимодействие излучения синего светодиода с удаленным на некоторое расстояние от p-n-перехода слоем люминофора на стоксовском эффекте. Применение метода удаленного люминофора повышает эффективность переизлучения, однако по-прежнему не снимает проблемы высокого нагрева элементов самого источника излучения, основанного на таком методе, и, как следствие, все равно потребует применения эффективных систем отвода тепла.

Владимир Семенович предложил сделать совмещение лазерного источника излучения синего диапазона в сочетании с люминофором, контактирующим с полупроводниковым излучателем света, то есть с обычным светодиодом на основе люминофора. Это позволяет сгенерировать выходной световой поток с намного более высоким значением плотности мощности, которая будет преобразована этим люминофором и от излучения лазера, и от излучающего кристалла светодиода одновременно. Другими словами, взаимодействие лазерного источника излучения с люминофором светодиода позволяет получить излучение в видимом диапазоне при меньшем потреблении энергии с одной стороны, а излучение, полученное в результате взаимодействия полупроводникового излучателя с тем же люминофором, с другой стороны происходит при меньшей температуре p-n-перехода кристалла светодиода. Однако в решении этой задачи с максимальной эффективностью было важно сформировать определенный состав люминофора и конфигурацию его нанесения [9]. В этой части разработки принял участие великий фрязинец и большой друг В. С. Абрамова к. х. н. Наум Петрович Сощин (рис.14). В результате, в начале этого года, нами был получен Патент № 202047 «Комбинированный источник излучения» с тем неповторимым вариантом решения, который всегда присутствует, если в его авторах есть фамилия Абрамов. И этот патент для Владимира Семеновича оказался последним, хотя мысли и предложения о следующих, конечно же, были.

Рис. 14. Так рождаются изобретения… Н. П. Сощин (слева) и В. С. Абрамов (справа) за обсуждением применения люминофора для работы совместно с синим лазером. Лаборатория «Архилайт», 2018 год. Это одна из последних фотографий Н. П. Сощина. Через три месяца его не станет…

Другое измерение

Последние несколько лет наша лаборатория «Архилайт» совместно с медиагруппой «Электроника» взялась за организацию и проведение массовых отраслевых конференций и семинаров, популяризирующих тематику светодиодов в освещении. Поскольку большинство прежних производств полупроводниковых приборов и оптоэлектронных элементов в нашей стране исчезли, работа над созданием новых светодиодных устройств и самих светодиодов не стала столь актуальной и, как говорят, «живой» — имеющей отклик и технический диалог производителей с их разработчиками, поэтому уже не обладала прежним накалом. И это, пожалуй, самая печальная страница в деятельности любого разработчика — не трудности с поиском решения, а полное отсутствие самой задачи. И даже не потому, что ее нет у производителей или потребителей как таковой, а потому что сейчас трудно добиться просто факта ее необходимости, не говоря уже о корректной постановке и формулировке технического задания с их стороны. И эта ситуация, конечно же, не может не оказывать отрицательного воздействия на таких людей, которые привыкли десятилетиями работать с самой высокой интенсивностью и их творческая энергия невольно угасает. Именно поэтому на наших общественных мероприятиях мы стараемся, прежде всего, поднимать вопросы сугубо технического характера, чтобы не дать угаснуть такой опытной и компетентной, некогда непревзойденной по уровню разработок отечественной полупроводниковой школе. Поэтому я с удовольствием приглашал Владимира Семеновича к участию в круглых столах, проводимых в рамках Всероссийской светотехнической конференции 2020 и 2021, посвященных возрождению российской светодиодной промышленности. Он, безусловно, был рад поделиться своим мнением и передать любой имеющийся опыт, поскольку был одним из первых в мире, кто взялся за создание светодиода как прибора микроэлектроники — отечественного светодиода. И даже теперь, по прошествии хоть и небольшого времени с момента тех обсуждений, трудно понять, насколько по его мнению современные потенциальные производители реально готовы и смогут ли «потянуть» эту непростую техническую задачу. Вероятно, не во всем и не во всех он оказался уверенным, но однозначно согласился с тем, что поднимать эти проблемы нужно обязательно. Прошлый круглый стол конференции (в 2020 г.), на котором как раз и началось обозначенное обсуждение, закончившееся вопросом о возможности организации отечественной эпитаксии, я подытожил обращением к нему: «Если потребуется снова создать отечественное производство, сделаем?» «Конечно сделаем!» — ответил он. А потом уже не в микрофон, а только для меня добавил: «Серега, мы же с тобой — гиганты!»

Через год ситуация повторилась, но теперь уже мы обсуждали эти вопросы с теми, кто за этот год все же решился создать и запустить светодиодное производство.

В своем небольшом интервью, традиционно устраиваемом для приглашенных участников и авторов выступлений нашими операторами, снимающими фильм о конференции, он сказал, что «благодарен организаторам, которым удалось в такой трудный из-за пандемии год собрать лучших людей в одном месте» (рис. 15). Поскольку я научился слушать его между звуков и читать между строк, это было исключительно по-абрамовски: он всегда мечтал собрать всех лучших людей в одном месте. Хотя, на наш взгляд, говоря о них, что они лучшие — и это было действительно так — на самом деле он сказал это, прежде всего, о себе самом.

Рис. 15. Интервью на Всероссийской светотехнической конференции 2020: «Благодарен организаторам, которым удалось в такой трудный из-за пандемии год собрать лучших людей в одном месте»

И только на этой фотографии круглого стола прошедшего тогда, 15 апреля 2021 года в рамках Всероссийской светотехнической конференции с его участием (рис. 16), глядя на нее, когда конференция уже закончилась, я заметил, что его лицо было очень грустным. Хотя в тот момент я стоял рядом с ним и мне так не показалось. А сейчас могу прочитать в нем только одно и объяснить, почему тогда этого не заметил. Почти полвека назад он создал один из первых светодиодов в мире, который был наш, отечественный, точно такой же первый и советский, как Юрий Алексеевич, о котором я не раз упомянул на конференции 15 апреля в связи с недавно прошедшим праздником — Днем космонавтики. А теперь мы уже второй круглый стол пытаемся разобраться в том, сколько осталось от того прежнего нашего в нынешнем нашем светодиоде, вместо того чтобы для всего мира давно производить только отечественные светодиоды — ведь они у нас есть уже как минимум полвека. Его грусть понятна, но ее глубина в тот момент была известна только ему одному. Она будто «проявилась» на этой фотографии уже потом.

Рис. 16. Круглый стол Всероссийской светотехнической конференции 2021. Обсуждение проблем производства новых отечественных светодиодов с участием Владимира Семеновича

И вот теперь, после его ухода,  эту глубину ощутили многие из тех, кто вместе с ним шел по жизни, думал, смеялся и шутил, переживал и отстаивал, двигался и действовал в одном направлении с этим поистине великим человеком. И мы обязательно продолжим это движение, потому что никуда ты от нас не ушел, Владимир Семенович, ведь мы с тобой — гиганты! Его светлая улыбка и яркая жизнь, словно до боли знакомая мелодия — навсегда «осталась ветерком в листве, среди людского шума еле уловима».

Автор искренне благодарит за поддержку и предоставленные материалы для подготовки статьи

Доктора технических наук, профессора Евгения Наумовича Вигдоровича

Владимира Георгиевича Звонова

Валерия Викторовича Кузнецова

Алексея Алексеевича Иванова

Александра Леонидовича Архипова

Кандидата физико-математических наук Олега Игоревича Рабиновича

Кандидата технических наук Сергея Петровича Черных

Доктора технических наук, профессора Владимира Степановича Кондратенко

Евгения Владимировича Долина

а также родственников Владимира Семеновича Абрамов

Неполный список патентов на изобретения и полезные модели