Досить докладно історія створення та розвитку світлодіодів описана, наприклад, у статтях [37, 38]. Зупинимося на її основних етапах.

Перші відкриття в області електролюмінесценції напівпровідників були зроблені абсолютно випадково.

1907 Англійський інженер Х.Д. Раунд (лабораторія Марконі) випадково помітив, що в працюючого детектора навколо точкового контакту виникає світіння.

1922 Російська 18-річний радіоаматор Олег Володимирович Лосєв під час своїх нічних радіовахту виявив світіння кристалічного детектора. Він спробував знайти цьому фізичному явища практичне застосування. Лосєв писав: «У кристалів карборунда (напівпрозорих) можна спостерігати (в місці контакту) зеленувате світіння при струмі через контакт всього 0,4 мА … світиться детектор може бути придатний в якості світлового реле як безінерційний джерело світла ». Карборунд – це карбід кремнію (SiC). На практичне застосування винахідник встиг отримати до своєї загибелі в 1942 р чотири патенти. Квантовий вихід випромінювання діодів на основі карбіду кремнію (кількість випроменених квантів на одну рекомбіновану пару) був дуже низький.

Для того щоб напівпровідник світився, не потрібно нагрівання, як, наприклад, в лампах розжарювання. Це безінерційний джерело світла [37].

1951 У США створено центр з розробки «напівпровідникових лампочок, що діють на основі« ефекту Лосєва », де його очолив К. Леховец. З’ясувалося, що германій (Ge) і кремній (Si), на основі яких робляться напівпровідникові транзистори, безперспективні для отримання світлодіодів через слабке випускання фотонів на p-η переході. Практична реалізація твердотільних джерел світла стала можливою лише в 60-70-х роках XX століття після виявлення ефективної люмінесценції фосфіду, арсеніду галію (GaP, GaAs) та їх твердих розчинів. На їх основі були створені перші світлодіоди, і був закладений фундамент оптоелектроніки.

1960-і роки. Нік Холоньяк, США, створив перші, що мають промислове значення світлодіоди з червоним і жовто-зеленим світінням на основі структур GaAsP / GaP. Зовнішній квантовий вихід був не більше 0,1%. Довжина хвилі випромінювання цих приладів знаходилася в межах 500 … 600 нм в області найвищої чутливості людського ока. Світлова віддача світлодіодів становила від 1 до 2 лм / Вт, що було достатньо для цілей індикації.

1970-і роки. Ж.І. Алфьоров із співробітниками (СРСР) розробив так звані багатопрохідні подвійні гетероструктури, що дозволили значно збільшити зовнішній квантовий вихід. Використовувалися структури на основі арсенидів галію-алюмінію (Ga(I X)Al(X)As), і був досягнутий зовнішній квантовий вихід до 15% для червоної частини спектру (світлова віддача до 10 лм / Вт) і більше 30% для інфрачервоної. Ж.І. Алфьоров отримав золоту медаль Американського фізичного товариства з дослідження гетероструктур на основі Ga(1 X)Al(X)As ще в 70-х роках минулого століття. У 2000 р йому була присуджена Нобелівська премія, коли стали очевидними важливість і величезне значення його робіт для розвитку науки і техніки.

Подальший розвиток світлодіодів стримувалося відсутністю приладів, випромінюючих в синьому діапазоні. Досліджувалася можливість отримання синіх і зелених світлодіодів з використанням кристалів нітриду галію (GaN) і селеніду цинку (ZnSe). У діодів на основі твердих розчинів селеніду цинку (ZnSe) квантовий вихід був досить високий, але вони перегрівалися через великого опору і служили недовго. Нітриди елементів групи III (AIN, GaN, InN) та їх сплави являють собою широкозонні напівпровідники з прямими оптичними переходами. Вони виявилися найбільш перспективними матеріалами для виготовлення светоі лазерних діодів, випромінюючих у всій видимій і ультрафіолетовій (від 240 до 620 нм) областях спектра. Проблемами, які стримували отримання високоякісних плівок GaN, були: відсутність високоякісних підкладок, параметри решітки і коефіцієнт теплового розширення яких відповідали б решітці нітриду галію, і отримання кристалів p-типу. У 60-ті роки робилися спроби отримати p-тип кристал GaN легированием елементів групи II (Mg, Zn, Be), які використовувалися як акцептори. Вони закінчилися невдачею.

1970-і роки. У США група Дж. Панкова (RCA, Princetone) з лабораторії компанії IBM створила фіолетові й блакитні діоди на основі плівок нітриду галію GaN на сапфіровою підкладці. Неузгодженість решіток GaN і сапфіра становить 13,5%. Квантовий вихід був досить високим (частки відсотка), але термін служби дуже малим. Опір діодів через низьку концентрації дірок в р-області p-η переходу і високої концентрації дефектів виявилося занадто великим. Діоди швидко перегрівалися і виходили з ладу. Панкову не вдалося здійснити легування р-типу.

Початок 1980-х років. Г.В. Сапарін і М.В. Чукічев (МДУ ім. Ломоносова, Москва, СРСР) виявили, що після дії електронного пучка зразок нітриду галію, легований Zn, стає яскравим люмінофором. Але причину яскравого світіння (активація акцепторів Zn під впливом пучка електронів) тоді зрозуміти не вдалося.

1980-і роки. І. Акасака (Наґойський університет, Японія) запропонував включити між сапфіром і активним шаром буферний шар A1N, що допомогло зняти проблему невідповідності кристалічних решіток і в 1986 році отримати плівки GaN високої якості. У 1989 р І. Акасака разом з Амано виготовили зразок p-типу. Вони вивчали під електронним мікроскопом плівку GaN, легированную Mg, і виявили світіння зразка після бомбардування електронами. Вони встановили, що зразок придбав провідність p-типу. Вони пояснили це тим, що під впливом електронного пучка на плівку атоми Ga заміщуються атомами Mg. І. Акасака і Амано заявили патент на легування GaN р-типу.

Кінець 1980-х – початок 1990-х. Шуджі Накамура (Shuji Nakamura), фірма Nichia Chemical, Японія. Один з небагатьох в той час, хто не залишив без уваги роботи Акасака і Амано. Він швидко відтворив їх результати, виявив невеликий нагрів зразка під час його опромінення електронами. Піддав зразок відпалу в атмосфері азоту, при якому опір зразка знизилося. Перший синій світлодіод Накамура виготовив 28 березня 1991. Два з половиною роки пішло на роботи з підвищення яскравості світіння світлодіода. 29 листопада 1993 фірма Nichia Chemical оголосила, що завершила розробку блакитних світлодіодів на основі нітриду галію. Перший комерційний синій світлодіод, розроблений Накамурою, був випущений фірмою Nichia Chemical на початку 1994 року на основі гетероструктури InGaN / AlGaN з активним шаром InGaN, легованих Zn (рис. 3.76, див. Кол. Вклейку).

Вихідна потужність синього діода становила 3 ​​мВт при прямому струмі 20 мА, квантовий вихід – 5,4%, довжина хвилі – 450 нм. Потім був виготовлений зелений світлодіод за рахунок збільшення концентрації In в активному шарі. Він складався з 3-нм активного шару InGaN, укладеного між шарами p-AlGaN і η-GaN, вирощеними на сапфірі. Тонкий шар InGaN зводить до мінімуму вплив неузгодженості решіток: пружне напруження в шарі може бути зняте без освіти дислокацій, і якість кристала залишається високим. У 1995 році при ще меншій товщині шару InGaN і більш високому вмісті In вдалося підвищити силу світла до 10 кд на довжині хвилі 520 нм, а квантову ефективність до 6,3%. Накамура запатентував ключові етапи технології, і до кінця 1997 року фірма Nichia вже випускала від 10 до 20 млн. Блакитних та зелених діодів в місяць.

Рис. 3.76. Синій світлодіод (а) на основі нітриду галію і його структура (б) [38]. Сапфір – це окис алюмінію А1203 2004. Зовнішній квантовий вихід фіолетових / блакитних / зелених світлодіодів на основі GaN і його твердих розчинів (InGaN, AlGaN) досяг значень 29/15/12% відповідно, а їх світловіддача від 30 до 50 лм / Вт. Внутрішній квантовий вихід для кристалів з потужним теплоотводом досяг 100%. Рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів досяг тоді ж 55%, а для синіх – 35%. Зовнішній квантовий вихід випромінювання для жовтих і червоних світлодіодів на основі твердих розчинів AlInGaP досяг значень від 25 до 55%, а світловіддача – 100 лм / Вт.

У наші дні перспективними технологіями виробництва світлодіодів (СІД) вважаються [34]:

– InGaN або GaN на підкладці з карбіду кремнію;

—                      AlInGaP.

З’єднання InGaN, GaN на підкладці з карбіду кремнію цікаві в плані виробництва високоефективних кристалів зеленого і блакитного кольорів. Також на їх основі виробляються світлодіоди білого кольору.

AlInGaP – технологія дозволяє отримувати світлодіоди червоного світіння.

Спрощено світлодіодну лампу можна представити у вигляді конструкції, що складається з корпусу з закріпленим у ньому випромінюючим кристалом, і найпростішої оптичної системи – лінзи (рис. 3.77, див. Кол. Вклейку).

Так, на рис. 3.77а представлений ескіз вертикального перетину типової конструкції світлодіодного пристрою, що включає корпусовані кристал, посаджений в спеціальний корпус із шаром люмінофора на прозорій кришці, а підстава кристала з відбивним покриттям через теплопровідні шар посаджено на підкладку. Конструкція на рис. 3.77б з планарних висновками відрізняється наявністю пластикової лінзи у верхній частині корпусу світлодіода і використанням металевої (мідної або алюмінієвої) основи.

Рис. 3.77. Приклади конструкції світлодіодних пристроїв [39, 41, 42]: ескіз вертикального перетину типової конструкції світлодіодного пристрою (а); конструкція з планарних висновками (б) \ конструкції світлодіода зі збільшеною площею тепловідводу (в)

На рис. 3.71в представлений зовнішній вигляд конструкції світлодіода зі збільшеною площею тепловідведення.

Існує чотири способи створення білих СІД [37]. Один з них – змішання випромінювання трьох або більше кольорів (як в телебаченні). На рис. 3.78 (див. Кол. Вклейку) показаний принцип отримання білого світла шляхом змішування випромінювання червоного, зеленого і синього світлодіодів. Для практичних застосувань цей спосіб незручний, оскільки необхідно мати кілька джерел різної напруги, багато контактних висновків і пристрої, що змішують і фокусують світло від декількох СІД. Даний спосіб застосовується, наприклад, при створенні світлодіодного екрана, в якому один піксель (осередок) складається з трьох світлодіодів – червоного, зеленого і синього.

Другий спосіб – це змішання випромінювання блакитного діода з випромінюванням желтозеление люмінофора. На рис. 3.79 (див. Кол. Вклейку) показаний принцип реалізації другого способу отримання білого світла. Третій спосіб – Змішання випромінювання блакитного діода з випромінюванням зеленого і червоного люмінофорів. В даний час дані способи найбільш часто використовуються, оскільки є найбільш простими, при цьому використовується кристал СІД з гетероструктурами на основі InGaN / GaN.

Рис. 3.78. Принцип отримання білого світла шляхом змішування випромінювання червоного, зеленого і синього світлодіодів

Рис. 3.79. Принцип отримання білого світла за допомогою випромінювання кристала синього СІД і нанесеного на нього шару жовтого люмінофора

Рис. 3.80. Принцип отримання білого світла за допомогою випромінювання кристала ультрафіолетового СІД і RGB люмінофора

Четвертий спосіб отримання білого світла – змішання випромінювання червоного, зеленого і блакитного (RGB) люмінофорів, порушуваних ультрафіолетовим светодиодом (рис. 3.80, див. Кол. Вклейку). Цей спосіб використовує технології і матеріали, які розроблялися протягом багатьох років для люмінесцентних ламп. Спосіб є менш ефективним, по-перше, через втрати енергії при перетворенні світла від світлодіодів в люмінофорах і, по-друге, через невідповідність спектру випромінювання світлодіода і спектра збудження люмінесценції люмінофоров.Следует зазначити, що світловіддача всіх білих світлодіодів нижче, ніж світловіддача СІД з вузьким спектром, оскільки в них відбувається подвійне перетворення енергії і частина її губиться в люмінофорі.

Світлова віддача сучасних світлодіодів сягає 150-170 лм / Вт, хоча теоретичну межу технології їх виготовлення оцінюється в 260-300 лм / Вт [39].

Рис. 3.81. Светоотдача сучасних світлодіодів білого кольору на графіку цветностей [40]

Відома компанія OSRAM Opto Semiconductors в умовах лабораторії встановила рекорд отримання світлової віддачі світлодіода теплого білого кольору світіння на рівні 142 лм / Вт [40]. В умовах лабораторії ефективність такого світлодіода теплого білого світіння склала 142 лм / Вт прямона кривої Планка при 2700 К; при колірній температурі 3000 К можна досягти ефективності 160 лм / Вт (рис. 3.81, див. кол. вклейку).

Основні фірми-виробники кристалів світлодіодів:

– Сгее (США);

– Nichia Chemical Зігрій. (Японія);

– KingBright Electronics (Тайвань);

– Osram Optosemiconductors (Німеччина);

– Agilent Technologies (США);

– Lumileds Lighting (США);

– Philips (Нідерланди);

– Група компаній «Оптоган» (Росія).

Слід зазначити, що є досить велика кількість інших фірм, які займаються тільки збіркою світлодіодів, не маючи при цьому власного виробництва кристалів.

Показники енергоефективності визначаються не тільки конструкцією самої світлодіодної лампи, але і багато в чому залежать від реалізації схеми використовуваного джерела живлення. Останнім часом велике поширення отримали інтегральні схеми драйверів (схем управління) світлодіодів. Фактично вони є енергозберігаючими джерелами струму, що забезпечують роботу світлодіода саме в тій точці його вольт-амперної характеристики (рис. 3.82), де досягається найбільший ККД. У більшості випадків такі драйвери працюють за принципом широтно-імпульсного регулювання і підтримують оптимальний режим роботи світлодіода в широкому діапазоні живлячих напруг з ККД перетворення близько 95%.

Сфери застосування світлодіодних джерел світла:

– Світлові покажчики та сигналізація (наприклад, світлофори);

– Транспорт (табло і освітлення);

– Мобільні пристрої;

– Різні види підсвічування (наприклад, вітрини);

– Спеціальні військово-космічні застосування;

– Рис. 3.82. Вольт-амперні характеристики різних типів світлодіодів комунікаційні та побутові застосування;

– Автомобілі (освітлення салону, фари, покажчики повороту, освітлення приладової дошки);

Світлодіодні панелі (екрани) на вулиці.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.