Armando Roggio, Electronic Products
Светоизлучающие диоды (СИД) справедливо заслужили репутацию долговечных, выносливых и исключительно энергоэффективных приборов. Но даже теперь, когда светодиоды стали особо популярны как основное решение для освещения, инженеры и ученые продолжают разрабатывать способы повышения их эффективности.
Работая раздельно, исследователи из Университета Штата Северная Каролина и Отделения Национальной Лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) предложили метод улучшения общей эффективности светодиодов и технологию получения светодиодов белого свечения на основе RGB структур. Эти два совершенно различных решения служат примером того, что светодиоды, и так весьма энергоэкономичные, скорее всего, будут улучшаться в течение последующих месяцев и лет.
Начинать надо с улучшения полупроводниковых пленок
Светодиоды, как известно, являются тонкопленочными полупроводниковыми приборами, излучающими свет под воздействием электрического тока. Дефекты в полупроводниковых материалах, используемых производителями светодиодов, могут препятствовать потоку электронов, что приводит к потерям при светоизлучении.
Пытаясь компенсировать эти дефекты и, тем самым, повысить светоотдачу и общую эффективность светодиодов, доктор Салах Бедейр (Salah Bedair), профессор электрической и компьютерной инженерии из штата Северная Каролина и Надя Эль-Масри (Nadia El-Masry), профессор материаловедения, предложили вводить «пустоты» в пленочный полупроводник нитрида галлия (GaN).
 |
| Технология, разработанная в университете штата Северная Каролина, уменьшает количество дефектов в пленках GaN на два - три порядка, вдвое увеличивая выход света при данной мощности |
«Это улучшает качество материала, излучающего свет… Таким образом, можно увеличить выход света в 2 раза при той же прилагаемой электрической мощности, а это – очень много», – заявил доктор Бедейр.
Дефекты, о которых идет речь, представляют собой незначительные отклонения в кристаллической структуре пленок GaN. Эти отклонения или «дислокации» стремятся к поверхности материала. С учетом этого обстоятельства, Бедейр и Эль-Масри ввели сравнительно большие пустые пространства или пустоты (приблизительно 0.25 мкм в диаметре) в 2-микронную пленку GaN. Идея заключалась в том, чтобы втянуть дефекты в пустоты, представляющие собой внутренние «поверхности».
«Без пустот пленки GaN имеют приблизительно 1010 дефектов на один квадратный сантиметр», – заявил Бедейр, – «а с пустотами только 107 дефектов. Эта технология будет следующим шагом в процессе производства светодиодов, и приведет к созданию более высококачественных и более высокоэффективных приборов».
Результаты были даже лучше, когда пленки с пустотами использовались для ультрафиолетовых или для маломощных светодиодов.
Перспективность этой технологии для производства светодиодов не вызывает сомнений, но еще остается множество вопросов, требующих ответа, в том числе, стоит ли увеличение эффективности тех затрат, которых потребуют дополнительные технологические этапы. Тем не менее, исследование продемонстрировало, что светодиоды, вероятнее всего, будут продолжать улучшаться так, что альтернативные решения освещения не будут в состоянии успевать за ними.
Создание эффективного источника белого цвета
Проект NREL, изначально направленный на повышение эффективности солнечных батарей, способствовал продвижению потенциально нового подхода к производству экологически-безопасных светоизлучающих диодов, с помощью которых можно повысить эффективность излучения для источников белого цвета.
 |
| Тестовый кристалл, изготовленный по технологии NREL |
Существует два основных метода создания светодиодов белого свечения. В первом, и относительно менее эффективном методе, используется преобразование в люминофоре, подобно тому, как это происходит во флуоресцентных лампах. Светодиод синего или ультрафиолетового свечения передает энергию или «заряжает» фосфоресцирующее вещество, нанесенное на кристалл или колбу. Фосфоресцирующее вещество, в свою очередь, производит видимый белый цвет.
Во втором методе используется смешение излучений красного, зеленого и синего (RGB) светодиодов, что повышает эффективность получения белого свечения. К сожалению, по данным NREL «до настоящего времени исследования в области RGB не позволяли создать высококачественный белый цвет, вследствие недостаточной насыщенности зеленых светодиодов. Эта ахиллесова пята, обычно известная как «Зеленая дыра», относится к неспособности существующих светодиодов излучать свет в диапазоне длин волн от 530 до 570 нм».
«Исследователи NREL смогли создать светодиод, с длиной волны излучения 562 нм, использовав сплав фосфид индия галлия (GalnP), выращенный на подложке из арсенида галлия (GaAs)», – заявила NREL в своем отчете. – «Этот прибор, состоящий из двух несогласованных решеток GalnP/GaAs, способен производить насыщенный зеленый свет, который может использоваться в RGB светодиодах для получения белого цвета».
Естественно, предстоит сделать еще очень много, но в технологии производства светодиодов, скорее всего, ожидаются существенные улучшения.
Светодиоды должны опережать другие альтернативные источники света
Исследования университета штата Северная Каролина и NREL – только два примера, того, как можно улучшить светодиоды. Эта способность повышать эффективность вдобавок к реально достигнутой эффективности отличает светодиоды от других конкурирующих устройств, например, люминесцентных ламп. Последние кажутся неспособными совершенствоваться так быстро, или хотя бы соответствовать темпу светодиодов.
