За счет чего и до какого предела можно повысить эффективность светодиодов?

Прежде всего, давайте уточним, что понимать под эффективностью. С точки зрения эксплуатации это светоотдача (отношение светового потока к потребляемой энергии), с точки зрения покупателя — стоимость одного люмена (отношение светового потока к цене светодиода или светодиодного источника света).

Для улучшения той и другой характеристики эффективности светодиодов существует несколько факторов. Прежде всего это структура кристалла и связанный с нею внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний квантовый выход теоретически можно максимально приблизить к 100%; рекордные на сегодняшний день величины для внешнего квантового выхода составляют 35% для голубых светодиодов (компания Сгее) и для красных (Lumileds). Стало быть, только за счет повышения внешнего квантового выхода можно (теоретически) увеличить световую отдачу светодиодов в 2 — 3 раза и, соответственно, снизить цену одного люмена. Специалисты утверждают, что это вполне достижимо и на практике.

Чтобы приблизить квантовый выход к вожделенным 100%, ученые ищут новые, более согласованные с кристаллической решеткой полупроводника материалы подложки. Сейчас, как известно, используется сапфир А1203. Карбид кремния SiC подошел бы лучше: у него и постоянная решетки прекрасно согласована с постоянной решетки GaN, и высокая теплопроводность создает преимущества для теплоотвода, — но он чрезвычайно дорог. Возможно, удастся сочетать дешевый кремний с буферными прослойками из карбида кремния. Это позволило бы совместить технологию оптоэлектронных устройств на основе нитридов с планарной технологией производства кремниевых чипов! Но тут есть и другая трудность, которую придется разрешить. Карбид кремния не прозрачен, а значит, подложка не будет служить «на просвет», как происходит сейчас, — ее придется делать зеркальной.

Многого можно добиться за счет улучшения конструкции светодиода. Пример — оптическая система в виде перевернутой пирамиды, изобретенная в Lumileds. Кристалл располагается в вершине пирамиды, свет идет через основание. За счет полного внутреннего отражения формируется световой луч практически без потерь. Именно в такой конструкции достигнут рекордный квантовый выход для красных светодиодов.

Другой пример удачного конструктивного решения — оптическая система белого светодиода, разработанная и запатентованная российской компанией «Корвет Лайтс». В пластиковом куполе создается окружающая кристалл полость в форме полусферы, которая заполняется люминофором. За счет равномерного распределения люминофора излучение такого светодиода имеет одинаковый спектр во всех направлениях.

Для снижения потерь и увеличения светоотдачи белых светодиодов можно также несколько улучшить люминофор. Здесь максимальный выигрыш невелик — речь идет о процентах.

Далее, для увеличения светового потока можно было бы увеличить число электронно-дырочных пар, рекомбинирующих в зоне p-n-перехода в единицу времени. Для этого необходимо увеличить ток через кристалл. Какие тут существуют ограничения?

Верхний предел плотности тока ставит, во-первых, снижение срока службы светодиода, а во-вторых, уменьшение квантового выхода из-за возрастания числа дефектов кристаллической решетки, на которых пары рекомбинируют без излучения. В обоих случаях «виноват» нагрев кристалла и p-n-перехода. Стало быть, важное значение приобретают хороший теплоотвод, низкоомные контакты и переход на более «горячий» нитрид галлия взамен арсенида. Все эти факторы позволяют повысить ток и мощность на одну лампу приблизительно в семь раз.

Если плотность тока повышать станет некуда, останется еще возможность увеличить площадь кристалла. Сейчас используются кристаллы площадью до 1 мм2. Дальше пока пойти не удается, потому что на больших контактах возникает неравномерность распределения плотности тока, локальный перегрев и как следствие разрушение кристалла. Использование контактов с гребенчатой структурой представляет собой проблему, потому что на контактах теряется свет. На сегодняшний день выход найден в использовании многокристальных светодиодов.

Таким образом, можно ожидать максимального увеличения светоотдачи самых лучших на сегодняшний день красных светодиодов в два раза, а голубых и белых — в три раза. Цену одного люмена белого света в будущем удастся снизить как минимум в 20 — 30 раз за счет массового производства.