Послойная осветизация

"Проводя опыты с пропусканием электрического тока через контакт металла с карбидом кремния, я наблюдал любопытный феномен. При подаче напряжения 10 вольт между двумя точками кристалл засветился желтоватым цветом. Правда, при таком низком напряжении светились ярко только один или два образца, но при увеличении разницы потенциалов до 110 вольт обнаружилось, что светится уже много кристаллов", - писал в редакцию журнала Electrical World в феврале 1907 года английский исследователь Генри Раунд, сотрудник американской лаборатории Гульемо Маркони, совершенствовавший детекторы для радиоприемников. По сути дела, Генри Раунд обнаружил свойство некоторых полупроводников светиться в оптическом диапазоне при пропускании через них тока, то есть явление электролюминесценции. Именно это свойство применяется в современных светодиодах (СД), способных, по предсказаниям аналитиков, перевернуть весь рынок светотехнических устройств в свою пользу. Произойдет это, считают оптимисты, уже в ближайшие годы, так как за счет своей энергоэффективности полупроводниковая светотехника позволяет сэкономить сотни миллиардов киловатт-часовэлектроэнергии, идущих на освещение, причем при замене не только ламп накаливания, но и самых современных люминесцентных ламп.

Забежать на 20 лет вперед

Обнаруженный Раундом светящийся кристалл — любопытный случай в истории технологических открытий, относительно которого нельзя произнести самоироничное «Россия — родина слонов», имея в виду, что и в этот раз изобретение русского ученого увели ушлые иностранцы. Тут как раз все наоборот. После публикации в американском журнале следы этого открытия затерялись. Видимо, Маркони (известный «обидчик» Александра Попова, отобравший, по мнению части наших соотечественников, приоритет изобретения радио) отвадил своего личного помощника из Великобритании от отвлекающих от радиодела опытов. В итоге слава первооткрывателя досталась советскому исследователю Олегу Лосеву, начавшему через 16 лет после Раунда проводить аналогичные исследования в Нижегородской радиолаборатории. Свои успехи в области светящихся кристаллов он закрепил несколькими патентами и в свое время получил даже международное признание коллег. Как раз эти патенты, первый из которых (патент СССР за номером 12191 на изобретение светового реле) Лосев оформил еще в феврале 1927 года, формально закрепили за Россией приоритет в сфере светодиодов. К тому же Олег Лосев не только сразу оценил практическую значимость своего открытия для создания компактных твердотельных источников света, но и разработал первый в мире модулятор излучения при подаче переменного напряжения на контакт металл—полупроводник.

Сейчас остается только удивляться, говорят специалисты, что для объяснения наблюдаемых эффектов Лосев пользовался понятиями квантовой физики (подробнее см. «Изобретение инженера Лосева» в «Эксперте» № 15 за 2002 год). Он даже обращался к Альберту Эйнштейну, который, к сожалению, не откликнулся на письмо молодого ученого из России. Интересно и то, что для исследования участка полупроводника, из которого идет свечение, Лосев уже использовал трехэлектродные, то есть фактически транзисторные, схемы задолго до американцев, получивших в 1956 году Нобелевку за разработку транзистора. С полупроводниковыми технологиями Лосев забежал лет на двадцать вперед, и его пионерские работы в области оптоэлектроники (создание и всестороннее исследование первого в мире светодиода) затем были подхвачены иностранцами — сегодня в этих разработках у нас отнюдь не первая скрипка.

Уже в 40−х годах прошлого века стало ясно, что основной игрок полупроводникового мира — кремний (кстати, приборы на его основе и сейчас занимают 90% рынка полупроводников), материал, который для оптоэлектроники не годится, потому что имеет очень низкий квантовый выход. Это означает, что у кремния небольшое число излученных квантов света и на нем в принципе невозможно сделать эффективные источники излучения. В послевоенные годы ученые ленинградского Физтеха (ЛФТИ) Нина Горюнова и Анатолий Регель, а немного позднее Генрих Велькер в Германии предсказали возможность создания целого класса искусственных полупроводников на основе соединений A3В5 (элементов III и V групп таблицы Менделеева). Важнейшая особенность полупроводников А3В5 — именно их оптические свойства, которых лишен кремний и которые позволяют создавать оптические полупроводниковые устройства, работающие в широком спектре диапазона излучения.

Серьезное практическое применение открытию Лосева удалось найти только после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа фосфида и арсенида галлия и их твердых растворов. Произошло это в 1960–1970−х годах, когда на основе этих материалов создали светодиоды и твердотельные лазеры, и таким образом был заложен фундамент новой отрасли техники — оптоэлектроники.

Два пути

Как рассказывает известный российский ученый-светотехник, заведующий лабораториейНаучно-исследовательского светотехнического института им. С. И. Вавилова Юлиан Айзенберг, в начале 1960−х годов несколько зарубежных компаний приступили к производству светодиодов с красным цветом излучения. Эти СД имели световую отдачу всего лишь 0,1–0,2 лм/Вт. Первые промышленные светодиоды были созданы в 1960–1970−х годах на основе структур фосфида и арсенида галлия Ником Холоньяком в США. За свои заслуги в области создания технологий электрического освещения в 2003 году Холоньяк получил международную премию «Глобальная энергия», своеобразную Нобелевку для энергетиков, учрежденную российскими компаниями. Помимо этих СД в 1960−х годах были разработаны светодиоды из фосфида галлия c красными желто-зеленым свечением. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1–2 лм /Вт, длина волны излучения этих приборов находилась в диапазоне 500–600 нм — самом чувствительном для человеческого глаза, поэтому данные СД стали очень широко использоваться в различной аппаратуре как индикаторные элементы.

Конечно, ни для какого освещения такие светодиоды не годились. Это становится очевидным, если сравнить названные показатели с достижениями современной светотехники. Так, самые лучшие образцы ламп накаливания имеют сейчас световую отдачу 16 лм/Вт (бытовые втрое меньше), а, к примеру, люминесцентные лампы последнего поколения одного из лидеров светотехнической отрасли компании Philips — 104 лм/Вт.

По словам одного из авторитетнейших специалистов в области оптоэлектроники профессора физфака МГУ Александра Юновича, в начале 1980−х важное открытие сделали его университетские коллеги Геннадий Сапарин и Михаил Чукичев. Они обнаружили, что после воздействия электронного пучка на кристалл нитрида галлия, легированный цинком, тот начинает интенсивно излучать в оптическом диапазоне, но объяснить это явление тогда не смогли, и дело застопорилось.

Настоящая революция в производстве СД произошла в конце 1980−х — начале 1990−х годов, когда, благодаря предшествующим работам Жореса Алферова и других ученых, были получены многопроходные двойные гетероструктуры полупроводников А3B5. Настоящий всплеск интереса к этим материалам был вызван прорывными исследованиями в области нитридных технологий на основе галлия и индия в Японии. Ученые из Нагойского университета объяснили причину эффекта, открытого Сапариным и Чукичевым, а в 1989 году сотрудник университета ИсамуАкасаки создал диод синего свечения на базе нитрида галлия, правда с эффективностью всего в 1%. Но уже в 1994 году японская компания Nichia Сhemical создала СД на основе нитрида галлия и его твердых растворов с синим цветом излучения с эффективностью в 10% и приступила к массовым поставкам на рынок сверхъярких (для того времени) синих светодиодов. В итоге в конце XX века световая отдача красных и зеленых СД увеличилась в 100 раз по сравнению с 1970−ми годами и достигла значений 10–20 лм/Вт.

Появление СД с излучением в коротковолновой части оптического диапазона, по словам директора по ключевым проектам городского, промышленного и офисного освещения Philips «Световые решения» Николая Кухтина, открыло два основных пути для создания приборов с белым излучением. Первый — за счет преобразования синего света в белый видимый с помощью люминофоров, оно происходит примерно так же, как в люминесцентных лампах, где ультрафиолетовое излучение в итоге превращается в поток белого света. На рынке белые СД с люминофорами появились в 1996 году. Именно тогда светодиоды превратились из индикаторных элементов в источники света в прямом смысле этого понятия.

При втором способе белый цвет получается в результате так называемого аддитивного смешивания в определенном соотношении красного, зеленого и синего цветов. Эта технология намного дороже люминофорной, так как для получения итогового прибора на одну подложку нужно «посадить» три или четыре кристалла, а потом следует этот свет смешать, используя хитроумные недешевые решения и оптику. Обычно светодиоды, произведенные таким способом, используются в осветительной технике для сценического освещения, в специфической архитектурной подсветке, когда есть необходимость получить разные оттенки белого цвета либо смешать и получить какие-то другие цвета. В частности, рассказывает Николай Кухтин, недавно таким образом Сбербанк украсил здание своего головного филиала в Нижнем Новгороде, используя светотехнические решения Philips. Для общего же освещения намного чаще используются монохромные светодиоды (на люминофоре), как более дешевые.

ТНК спохватились

С появлением эффективных светодиодов во многих странах одновременно стали разрабатываться и выпускаться различные осветительные приборы с использованием этого достижения. Появились десятки компаний, предлагающих на рынок весь спектр товарной цепочки, от самих светодиодов до сложных осветительных решений. Накануне нового столетия японцы и догнавшие их американцы производили приборы с настолько эффективным преобразованием электрической энергии в излучение оптического диапазона, что начали всерьез поговаривать об их конкуренции с накальными и флуоресцентными лампами.

Крупные светотехнические транснациональные корпорации, такие как Philips и Osram, спохватившись, что могут упустить перспективный рынок, смогли договориться о покупке профильных компаний и в начале нулевых уже начали выпуск как самих светодиодов, так и осветительных приборов на их основе.

Как происходило вхождение светотехнических монстров на светодиодный рынок — а отставание стоило им, по оценкам, около 3–4 млрд евро, — можно проследить на примере компании Philips, для которой лидерство в этой отрасли, по признанию руководителей компании, стало их стратегической задачей. В 1999 году Philips организовала с Agilent Technologies (в эту компанию вошло бывшее оптоэлектронное подразделение корпорации Hewlett-Packard после реорганизации) компанию Lumileds, а в 2005 году за 950 млн долларов полностью выкупила ее активы. Сейчас Philips Lumileds Lighting производит более миллиарда светоизлучающих диодов ежегодно (это немного, ведь в 2004 году в мире было выпущено около 10 млрд СД, сейчас оценочно около 15 млрд). На этом компания Philips не остановилась и в 2007 году купила американского разработчика светодиодных осветительных систем Color Kinetics Inc. за 600 млн евро. Затем за 1,8 млрд евро была приобретена Genlyte, ведущий американский производитель профессионального светотехнического оборудования, и несколько компаний, специализирующихся на бытовых светильниках.

А мировой рынок действительно рос как на дрожжах: если в 2000 году он оценивался примерно в 400 млн долларов, то в 2007−м расширился более чем в десять раз, и прогнозируется, что в 2012 году увеличится еще в два с лишним раза, примерно до 12 млрд долларов. В целом такой рост легко объясним: светодиоды достигли или достигнут в ближайшее время параметров энергоэффективности практически всех видов ламп, а в дальнейшем — превзойдут их. Важно и то, что это экологически безопасные устройства, не содержащие ртути и свинца. Срок службы светодиода может достигать 100 тыс. часов. Слабые места у инновации, конечно, есть. Одно из них обратная сторона преимущества — компактности прибора. Светодиодам же, сопоставимым с мощными лампами накаливания и люминесцентными лампами, по словам Николая Кухтина, необходим хороший теплоотвод, так как из-за перегрева светодиод начинает критически терять свои свойства, и резко сокращается срок его службы. В этом смысле, говорит менеджер Philips, «физики обгоняют светотехников, появились эффективные светодиоды, из которых пока трудно собрать высокофункциональный осветительный прибор, в том числеи из-за необходимости организовать грамотный теплоотвод». Поэтому при увеличении мощности светодиодного осветительного прибора на каждой лампочке приходится ставить специальное устройство, отводящее тепло.

Светодиоды работают при низком напряжении. Это плюс в смысле пожаробезопасности, но недостаток с точки зрения потерь электроэнергии на преобразователях, которые необходимы для работы осветительного прибора со стандартной электрической сетью напряжением в 220 вольт.

Пока светодиоды слишком дороги: СД, аналогичный по светоотдаче 20−ваттной лампе накаливания, обойдется в 400–500 рублей, а аналогичный 60−ваттке — уже в 1,5 тыс. рублей. Поэтому, как утверждают представители крупных светотехнических компаний, из-за высокой начальной стоимости существующие качественные светодиодные системы пока ориентированы в большей степени на профессиональных пользователей, для которых характерно интенсивное — почти круглосуточное — использование ламп и в связи с этим существенные затраты на обслуживание осветительных установок. Но полупроводниковая осветительная техника становится доступнее и интереснее все большему числу потребителей, а не только тем из них, кто умеет считать совокупную стоимость владения осветительным прибором, то есть сумму его стоимости и расходов на электроэнергию, поделенную на время эксплуатации. Тем более эксперты ожидают снижение цены на светодиоды примерно на треть до 2012 года.

Органический свет

По оценке Александра Юновича, Россия сейчас серьезно отстает от западных производителей. К сожалению, несмотря на самые серьезные разработки и советских, и российских ученых (одни работы Жореса Алферова и его коллег из ЛФТИ по многопроходным двойным гетероструктурам, удостоенные в 2000 году Нобелевской премии, или исследования по органическим полупроводникам много чего стоят), сейчас нашу страну к числу лидеров в этой области причислить нельзя. Александр Юнович вспоминает, что наши ученые и инженеры в столичном НИИ «Сапфир» в конце 1990−х попытались было повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства. «Лучшие светодиоды, — говорит Юнович, — которые я видел в наших лабораториях при малых токах, достигают 120 люменов на ватт, но промышленные, к примеру на единственном в стране производителе светодиодов “Светлане-Оптоэлектронике”, не более 60». Для сравнения: зарубежные производители в лабораторных условиях достигли 150–160 лм/Вт, а в промышленных масштабах — 100 лм, недавно появились коммерческие образцы 120 лм/Вт.

Определенные успехи у нас все-таки есть. Например, в создании оригинальных конструкций светодиодов на импортных чипах в московской фирме «Оптэл», в Томском НИИ полупроводниковых приборов. Сейчас светодиодной темой вплотную занялась ГК «Роснано», собираясь вложить 3,3 млрд рублей в компанию «Оптоган» и в две ее производственные площадки в немецком Нойдорфе и Санкт-Петербурге. «Оптоган», по словам ее руководителяМаксима Одноблюдова, обладает дешевой по сравнению с конкурентами технологией производства светодиодов при достигнутой эффективности светодиодных ламп в 90–100 лм/Вт. Чтобы проверить это утверждение, осталось только подождать 2011 года, когда выйдут первые промышленные партии продукции компании. Впрочем, неорганическим светодиодам черезкакое-то время могут составить конкуренцию органические (OLEDs). Это направление в 1990−х годах стало развиваться взрывообразно. Дело в том, что органические светодиоды отличаются гибкостью (причем и в прямом смысле этого слова) в применении; цвет и интенсивность их свечения могут меняться в широком диапазоне. Они могут формировать однородные световые плоскости практически любых форм, размеров, интенсивности и цвета. Исследования электрофизических и оптических свойств первого поколения полимерных материалов активно проводились (в том числе и ФТИ им. А. Ф. Иоффе) еще в 1960−х годах. Однако реальный прогресс в области органики стал возможен, как и в случае с «обычными» светодиодами, в 1990−х годах, говорит руководитель лаборатории органических полупроводников ЛФТИ АндрейАлешин, победитель Конкурса русских инноваций. Тогда были разработаны так называемые сопряженные полимеры последнего поколения, которые стали использоваться для изготовления OLEDs, а уже из них стали делать дисплеи ноутбуков, мобильников (сегодня в 90%трубок-раскладушек используются такие дисплеи), а в последние два-три года — и экраны телевизоров.

Сейчас, утверждает Алешин, 20 ведущих компаний и исследовательских центров Европы заканчивают проект OLLA (разработка высокоярких органических светодиодов для информационных систем и осветительных приборов). В результате НИОКР к концу этого — середине следующего года появятся OLEDs белого свечения со сроком службы до 10 тыс. часов, с высокой светоотдачей (50 лм/Вт) и яркостью, готовые к промышленному производству. На основании данных, полученных за последний год при посещении в качестве эксперта «Роснано» Ганноверской ярмарки (Германия) и конференции по гибкой электронике (Греция), Алешин утверждает, что разворачивание промышленного выпуска недорогих гибких дисплеев, источников света, панелей солнечных элементов в Европе — дело ближайших двух лет. Это направление давно и целевым образом финансируется как на уровне Европейского союза, так и на уровне отдельных стран и даже их регионов (к примеру, в Германии). Как правило, условием такого финансирования является создание первых производств на территориигосударств-инвесторов. А следовательно, современные технологии в данной области не будут проданы в третьи страны (включая Россию) в обозримом будущем. Такая ситуация делает весьма проблематичным любое сотрудничество зарубежных центров, вовлеченных в описанную гонку, с российскими учеными. И это при том, что в самой России в данной сфере наблюдается большое отставание. Есть здесь сопоставимые с зарубежными НИОКР достижения, в том числе, и у самого Алешина, но из-за недостатка финансирования их промышленная реализация откладывается на годы.

Ирик Имамутдинов