Современное состояние и тенденции развития светодиодов и светодиодного

Современное состояние и тенденции
развития светодиодов и светодиодного
освещения
1
С Ш А , в соответствии с этим Актом,
поддерживает исследования, разра­
ботки, публикации и коммерческие
применения, связанные с технологи­
ей СД освещения, которые касаются
СД белого света (белые СД).
Важно, что для ш и р о к о г о приме­
н е н и я СД в общем о с в е щ е н и и в бу­
дущем следует з а м е н и т ь конструк­
ц и и т р а д и ц и о н н ы х светотехниче­
с к и х у с т р о й с т в и их п и т а н и е от
э л е к т р и ч е с к о й сети так, чтобы ис­
пользовать о с о б е н н о с т и СД. П о к а
разработчики идут по более просто­
му пути (рис. 2), п р и с п о с а б л и в а я ,
н а п р и м е р , крепление СД модуля к
обычному цоколю Л Н .
В феврале и июле 2007 г. состоя­
лись семинары, организованные
Министерством энергетики США,
п о с в я щ е н н ы е всем с т о р о н а м э т о й
программы (2, 3]. Организован аль­
янс промышленных компаний по
разработкам и внедрению СД осве­
щения (Next Generation Lighting In­
dustry Alliance, NGL1A), работу кото­
рого координирует правительство.
Министерство энергетики — основ­
ная ф и н а н с и р у ю щ а я о р г а н и з а ц и я ,
но и каждая из компаний альянса де­
лает взнос в развитие п р о г р а м м ы .
О ж и д а е т с я , что вплоть до к о н ц а
2008 г., кроме вложения рискового
капитала, будут необходимы государ­
ственные инвестиции для поддержки
программы, а затем вложения начнут
окупаться и, начиная приблизитель­
но с конца 2010 г., давать результи­
рующую п р и б ы л ь , быстро возрас­
тающую к 2012 г. При этом предпола­
Внешний квантовый выход излуче­
ния синих СД в настоящее время дос­
тиг рекорда: 63 % (лабораторные об­
разцы) [7]. Световая отдача белых СД
уже достигает 150 лм/Вт [8]. Вслед за
ф и р м о й Nichia Corp. о рекордных
результатах в 2007 г. сообщили фир­
мы Cree Lighting (131 лм/Вт), и Philips
Lumileds (115 л м / В т ) . В с е н т я б р е
2007 г. фирма Cree Lighting сообщила
о разработанных ею лампах с одним
СД большой площади, которые име­
ют световой поток более 1000 лм для
холодно-белого света при световой
отдаче 72 лм/Вт и 760 лм для теп­
ло-белого света при световой отдаче
52 лм/Вт. Фирма при этом напомни­
ла, что обычно от разработки новых
приборов до их коммерческого вы­
пуска проходит от 12 до 24 месяцев
[9]. Сообщения не раскрывают тех­
нологических тонкостей, позволив­
ших получить эти рекорды.
А.Э. ЮНОВИЧ
Московский государственный университет им. М.В. Л о м о н о с о в а
Четыре года тому назад журнал
опубликовал статью
автора с обзором свойств высокоэф­
фективных светодиодов (СД) нового
поколения и перспектив широкого при­
менения их как основы освещения бу­
дущего [ 1 ] . Ф и з и к а и технология по­
лупроводниковых источников света
и их п р о м ы ш л е н н о е п р и м е н е н и е
развивались во всем мире за эти годы
бурными темпами, превзошедшими
оптимистические предсказания ста­
тьи о будущей замене ламп накалива­
ния (ЛН) светодиодами.
Преимущества СД, ранее сформу­
лированные л и ш ь специалистами,
стали известными и понятными мно­
гим инженерам, организаторам про­
изводства, ф и н а н с и с т а м , чиновни­
кам. О них стали сообщать С М И . СД
потребляют л и ш ь 17% электри­
ческой энергии относительно ЛН и
50 % о т н о с и т е л ь н о к о м п а к т н ы х
люминесцентных ламп (КЛЛ). СД в
20 раз долговечнее ЛН и в 5 раз дол­
говечнее К Л Л , что с у щ е с т в е н н о
снижает расходы на эксплуатацию
(например, СД лампу можно будет
не менять 20 лет). Они не содержат
ртути (как КЛЛ), и потому не пред­
ставляют экологической опасности.
У них малый вес и большая устойчи­
вость к деформациям и вибрациям
(удобство для потребителя и вандалоустойчивость).
гается, что каждый год будет созда­
ваться более с о в е р ш е н н а я продук­
ц и я . Наиболее выгодно вкладывать
средства в развитие крупных компа­
н и й , уже участвующих в разработках
и производстве СД (рис. 1).
Рассмотрим, как было организова­
но в последние годы развитие СД те­
матики в С Ш А и К Н Р , и обсудим
проблемы создания государственной
программы исследований, разрабо­
ток и производства СД в России.
Государственная программа С Ш А
была п р и н я т а К о н г р е с с о м С Ш А
в 2005 г. как часть Акта об энер­
гетической п о л и т и к е и н а з в а н а
«Светодиодное освещение» («SolidState Lighting, SSL»). Правительство
1
По материалам доклада на LED-Forum
28-29 ноября 2007 г., Москва.
E-mail: yunovich@phys.msu.ru
Рис. 1. Финансовые вложения в первый период развития светодиодного освещения поддер­
живаются правительством и частным (рисковым) капиталом. Эти вложения начинают
окупаться через два-три года, а затем дают быстро возрастающую прибыль [2, 3]
Рис. 2. Светильники со светодиодами, получившие премии Министерства энергетики США [6]
ходимых для получения близкого к
100% внутреннего квантового выхода
излучения. С о з д а ю т с я ф о т о н н ы е
кристаллы с периодами порядка де­
сятков и сотен нм для лучшего выво­
да излучения из СД. Разрабатывают­
ся л ю м и н о ф о р ы с размерами кри­
сталлитов порядка 3 нм для лучшего
п р е о б р а з о в а н и я с и н е г о излучения
кристаллов в белых СД. Все это — на¬
нотехнологии.
Рис. 3. Сравнение световой отдачи традиционных источников света (люминесцентных и
металлогалогенныхламп) с белыми светодиодами в последние годы и в планируемом будущем
Заметим, что программа С Ш А в
2002 г. предполагала массовое эконо­
мически выгодное производство бе­
лых СД для освещения со световой
отдачей 150 лм/Вт к 2020 г. Эта про­
грамма в настоящее время скоррек­
тирована, и к 2015 г. планируется све­
товая отдача 160 лм/Вт. Промышлен­
ные коммерчески доступные белые
СД разных фирм в 2007 г. имеют све­
товую отдачу 40-80 лм/Вт; одиноч­
ные СД при токе 350 мА дают свето­
вой поток до 100 лм (рис. 3 и 4).
Быстрый рост эффективности бе­
лых СД был достигнут благодаря
и с с л е д о в а н и я м и р а з р а б о т к а м по
всем н а п р а в л е н и я м , с в я з а н н ы м с
технологией СД. Улучшилась техно­
л о г и я изготовления с а п ф и р о в ы х и
к а р б и д - к р е м н и е в ы х п о д л о ж е к для
эпитаксиального роста; было усовер­
шенствовано выращивание p-n-гетероструктур типа I n G a N / A l G a N / G a N
с множественными квантовыми ямами были сконструированы СД с луч­
шим коэффициентом оптического
вывода. Созданы омические контак­
ты с малым сопротивлением, обеспе­
ч е н э ф ф е к т и в н ы й отвод тепла от
кристалла к корпусу. Разработаны
новые люминофоры для повышения
общего индекса цветопередачи бе­
лых СД.
Но необходимы не только исследо­
вания «методом проб и ошибок», как
в большинстве случаев шло развитие
технологии СД, но и количественные
теоретические предсказания опти­
мальных свойств материалов, струк­
тур и конструкций для СД на основе
последних достижений ф и з и к и , хи­
мии и других наук. Технология СД —
это существенная часть нанотехно¬
логий. Для выращивания совершен­
ных структур должна быть уменьше­
на плотность дислокаций, расстоя­
ние между которыми составляет по­
р я д к а сотен нм. Идет р а з р а б о т к а
структур с множественными кванто­
выми ямами толщиной 2-3 нм, необ­
Развитие светодиодных исследова­
ний и разработок идет во всем мире.
Ведущие
фирмы-производители
( C r e e Lighting, Philips L u m i l e d s ,
Nichia
Corp.,
Osram Optosemi¬
conductors, Toyoda Gosei,
Seoul
S e m i c o n d u c t o r ) п р о в е л и реорга­
низации, вложили и получили
к р у п н ы е и н в е с т и ц и и , существен­
но р а с ш и р и л и с ь , поглотив неболь­
ш и е ф и р м ы , и с т а л и , по сущест­
ву, т р а н с н а ц и о н а л ь н ы м и . К р о м е
С Ш А , Я п о н и и и Г е р м а н и и , массо­
вое к о н к у р е н т о с п о с о б н о е произ­
водство СД с о з д а н о в Республике
Корея, К Н Р и на Т а й в а н е . Между
основными фирмами заключены
соглашения, переданы лицензии
(рис. 5), ведутся с п о р ы и судебные
тяжбы об интеллектуальной собст­
венности. СД выпускаются сотня­
ми м и л л и о н о в штук в год. О б щ и й
объем СД р ы н к а в мире в 2005 г. со­
ставил 4 млрд. д о л л а р о в , и предпо­
лагается, что в 2010 г. он превысит
8 млрд. долларов.
Важен пример развития светодиод­
ной тематики в КНР. В 2004 г. в К Н Р
была сформулирована государствен­
ная программа развития СД освеще­
ния [12]. Министерство науки и тех­
нологии объединило 15 Н И И и 50
промпредприятий из разных районов
страны и выделило на начало про­
граммы 17 млн. д о л л а р о в . Если в
2001 г. в К Н Р использовались только
импортные синие СД, то в 2005 г.
собственное производство гетероэпитаксиальных структур и кристал­
лов обеспечивало уже 40% от общего
числа применяемых синих СД— ос­
новы для белых СД [13]. Объем про­
даж СД производства К Н Р в 2004 г.
составил 12 млрд. юаней (1,45 млрд.
долларов) (рис. 6).
Рис. 4.
Рост объема
продаж
светодиодов
в США за последние
годы составляет
22% в год,
в 2006 г. (без учета
светодиодов
для мобильных
телефонов) —
около 2,5 млрд.
долларов.
Зеленым цветом
выделена часть
продаж, связанная
с применением
светодиодов
в освещении [10]
По о ц е н к е руководителя китай­
ской программы д-ра Л и н г By сей­
час, в ходе в ы п о л н е н и я 11-го пя­
т и л е т н е г о п л а н а , уже более 600
предприятий с 40 тыс. р а б о т н и к о в
прямо с в я з а н ы с п р о и з в о д с т в о м
СД. Четыре особых п р о м ы ш л е н н ы х
района созданы с центрами в горо­
дах Д а л я н е , Ш а н х а е , Н а н ч а н г е и
Ксямене. Пятый промышленный
район создается в Ш е н ь ж е н е , близ
Гонконга.
В К Н Р проведено несколько кон­
ференций, симпозиумов и промыш­
ленных выставок, посвященных СД
освещению. Третья промышленная
выставка и форум по СД освещению
состоялись в Ш а н х а е в августе
2007 г. Н е с к о л ь к о десятков китай­
ских и зарубежных фирм представи­
ли стенды и доклады по всем разде­
лам физики,технологии и производ­
ства СД [14]. К инвестициям в СД
отрасль привлечены американские и
европейские ф и р м ы , которых при­
влекают налоговые льготы и деше­
вая рабочая сила. В освещении на
Олимпийских играх 2008 г. в П е к и н е
будут ш и р о к о и с п о л ь з о в а н ы С Д ;
договоры подписаны и с организа­
циями К Н Р (включая Гонконг), и
с фирмами Тайваня.
В этой статье не рассмотрены про­
граммы развития СД освещения в
Европейском С о ю з е , Республике
Корея и на Тайване. С материалами
4-й Е в р о п е й с к о й п р о м ы ш л е н н о й
выставки и Симпозиума по светоди­
одному о с в е щ е н и ю в Б и р м и н г е м е
в июне 2007 г. можно ознакомиться
в интернете [15].
Журнал «Светотехника» в последние
годы неоднократно публиковал статьи
в которых предлагалось создание ши­
рокомасштабной программы исследо­
ваний и разработок СД и промышлен­
ного развития СД освещения в России
И, 16, 17]. Такая программа пока не
создана.
Однако исследования и разработки
структур и СД на основе нитридов гал­
лия, индия и алюминия в России в по­
следние годы заметно расширились.
Рис. 5. Основные международные светодиодные фирмы-производители и их взаимные
связи [15]
Были получены важные научные ре­
зультаты; академические и универси­
тетские лаборатории стали получать
поддержку от бюджетных и научных
фондов, от отечественной промыш­
ленности, от зарубежных фондов и
инвесторов [18].
Л и д е р о м научных и с с л е д о в а н и й ,
связанных с СД т е м а т и к о й в Рос­
с и и , является Ф и з и к о - т е х н и ч е с к и й
институт РАН им. А . Ф . И о ф ф е .
В а ж н е й ш и й вклад в эти работы
сделан лабораторией лауреата Но­
белевской
премии
академика
Ж . И . Алферова. П р о в о д я т с я иссле­
д о в а н и я роста структур на основе
н и т р и д н ы х полупроводниковых со­
единений. Используются разные
методы: газовая э п и т а к с и я из ме¬
таллоорганических соединений,
молекулярно-лучевая эпитаксия,
хлоргидридная э п и т а к с и я . Изучает­
ся в л и я н и е д е ф е к т о в структуры и
различных примесей на излучатель¬
ную р е к о м б и н а ц и ю в полупровод­
н и к о в ы х гетероструктурах с кван­
товыми я м а м и . П р е д л о ж е н ы и ус­
пешно применяются оригинальные
венные
компании:
AIXTRON,
V E E C O , LayTech Gesellschaft, ЗАО
«Научное и технологическое обору­
д о в а н и е » , ЗАО « И н т е к Вакуум»,
ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»,
О О О « Н П Ц О Э П «ОПТЭЛ», ЗАО
«Монокристалл». К о н ф е р е н ц и я по­
казала, что исследования и разра­
ботки по СД тематике в России раз­
виваются в русле мирового научного
процесса и в рамках международно­
го с о т р у д н и ч е с т в а . Следует заме­
тить, что многие работы по ф и з и к е
и технологии СД за рубежом разви­
ваются н а ш и м и учеными и инжене­
рами.
Рис. 6. Развитие производства светодиодов в КНР в 10 пятилетке [14]
м е т о д и к и изучения э л е к т р и ч е с к и х
и оптических свойств гетерострук¬
тур. Научные исследования тесно
с в я з а н ы с разработками СД. Физи­
к о - т е х н и ч е с к и й институт вместе с
С а н к т - П е т е р б у р г с к и м и Политех­
н и ч е с к и м у н и в е р с и т е т о м и Элек­
тротехническим университетом го­
товят кадры как для промышлен­
ных п р е д п р и я т и й Санкт-Петербур­
га, т а к и д л я других н а у ч н ы х и
п р о м ы ш л е н н ы х центров России.
Исследования излучательной и безызлучательной рекомбинации в СД
p-n-гетероструктурах с квантовыми
ямами на основе G a N , проведенные
на физическом факультете МОСКОВ­
СКОГО государственного университе­
та им. М.В. Ломоносова, позволили
дать рекомендации по разработкам
эффективных СД [19-22].
ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»
( С а н к т - П е т е р б у р г ) разрабатывает
полный технологический цикл соз­
дания белых СД, от подготовки под­
ложек для эпитаксии, эпитаксиаль¬
ного роста структур и создания ори­
гинальных конструкций кристаллов
до осветительных устройств. Послед­
ние проходят эксплуатационные ис­
пытания в освещении домов в север­
ных регионах России и железнодо­
рожных вагонов. К П Д синих СД,
разработанных на «Светлане», достиг
3 1 % , а световая отдача белых СД —
40 лм/Вт [23, 24].
Работы по эпитаксиальному выра­
щ и в а н и ю СД структур на о с н о в е
G a N начаты в ЗАО «Элма — Мала­
хит» (Зеленоград) [25]).
О О О « Н П Ц О Э П «ОПТЭЛ» вы­
пускает (на о с н о в е и м п о р т н ы х
структур) и белые СД для общего ос­
вещения, и СД всех д и а п а з о н о в ви­
димого и ближнего И К - и з л у ч е н и й .
Коммерческие белые СД и модули
на их о с н о в е , р а з р а б а т ы в а е м ы е в
«ОПТЭЛ», достигли световой отда­
чи 40—50 лм/Вт, а световой п о т о к
единичных СД - 100 лм [22, 26]. ЗАО
«Кавер Лайт» и КБ «Пола +» — раз­
рабатывают э ф ф е к т и в н ы е СД спе­
циальных конструкций с узкими
световыми пучками для железнодо­
рожных светофоров и разных цветов
для автомобильной промышленно­
сти. СД производятся и Н И И полу­
проводниковых приборов в Т о м с к е ,
и ОАО «Протон» в Орле. О н и выпус­
каются м и л л и о н а м и штук в год и
ш и р о к о применяются в разных ви­
дах о с в е щ е н и я .
На 5-й Всероссийской конферен­
ции «Нитриды галлия, индия и алю­
м и н и я : структуры и приборы» было
представлено более 80 докладов от
50 о р г а н и з а ц и й ; п о л о в и н а из н и х
была посвящена проблемам эпитак¬
сиального выращивания гетерост¬
руктур, а 30 докладов - световодам
и лазерам [18]. В рамках конферен­
ц и и была п р о в е д е н а н а у ч н о - п р о ­
мышленная выставка, на которой
были представлены образцы техно­
логического оборудования и мате­
риалов для э п и т а к с и а л ь н о г о роста
и р а з л и ч н ы е устройства на осно­
ве нитридных п о л у п р о в о д н и к о в ы х
приборов. В выставке п р и н я л и уча­
стие как зарубежные, так и отечест­
Светотехнические исследователь­
ские и промышленные организации
в России прониклись идеей СД осве­
щения. Ежегодные семинары и вы­
ставки в Доме Света (Москва), по­
священные этой проблеме, собирают
сотни участников [27].
Т а к и м образом, в России есть все
необходимое для создания широко­
масштабной программы развития
СД освещения. Но без направляю­
щей о р г а н и з а ц и о н н о й деятельности
и с и с т е м а т и ч е с к о г о целевого фи­
н а н с и р о в а н и я со стороны государ­
ства этого недостаточно. Без взаи­
модействия и к о о р д и н а ц и и деятель­
ности всех Российских организаций
любая такая программа не будет эф­
ф е к т и в н о й . С о з д а н и е т а к о й про­
граммы привлечет инвестиции част­
ного капитала, а поскольку инвести­
ц и и д о л ж н ы будут окупаться, они
будут давать п р и б ы л ь в ближайшие
годы. П р и м е р ы С Ш А и К Н Р это до­
казывают.
Решения руководства нашей страны
о развитии нанотехнологий включают,
как один из разделов, разработки и
производство СД. Поэтому при созда­
нии программы развития нанотехноло­
гий необходимо создать государствен­
ную программу исследований, разрабо­
ток и производства СД в России, кото­
рая обеспечит развитие СД освещения
и большую экономию электроэнергии в
нашей стране.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юнович A.Э. Светодиоды как основа
освещения
будущего.
Светотехника.
2003. № 3. С. 2-7.
2. U.S. Department of Energy, Voices for
SSL Efficiency Workshop, Boston,
MA,