Недорогое светодиодное освещение становится реальностью

На модерации Отложенный Ученые Университета Пьюрду (Purdue University) преодолели основную помеху в снижении стоимости светодиодного освещения. Если предложенная ими технология широко распространиться, это может снизить среднее потребление электричества на 10%.

Светодиодная технология освещения в 4 раза более эффективна, чем технология ламп накаливания и более безопасна для окружающей среды, чем флуоресцентные лампы. Светодиоды так же имеют более продолжительный период выработки на отказ. Он может составлять около 15 лет.

По эффективности светодиоды сравнимы с флуорисцентными лампами, но, в отличие от ламп, содержащих вредоносную для окружающей среды ртуть, экологически безопасны. Однако, не смотря на явные технические преимущества перед своими конкурентами в нише освещения, осветительные светодиоды неприемлемо дороги, так как они изготавливаются на подложке или слое сапфира.

Исследователи Пьюрду решили эту проблему, разработав недорогую технологию производства светодиодов на покрытых металлом кремниевых подложках.

Исторически сложилось, что светодиоды были широко распространены лишь в сфере индикаторного освещения в электронике, но последние достижения позволили им сравниться по яркости с лампами накаливания.

В настоящее время твердотельные осветительные устройства изготавливаются на основе синих и зеленых светодиодов, которые покрывают слоем люминофора или снабжают световыми фильтрами соответствующего цвета для получения белого цвета свечения.

Светоизлучающим компонентом синих и зеленых светодиодов является нитрид галлия, наносимый на основу сапфира. Нитрид галлия так же используются в светодиодах для дорожных сигналов и в лазерах HD DVD плееров. Однако эта технология дорога для широкого распространения в области обычного освещения, превышая стоимость ламп накаливания и флуоресцентных ламп, как минимум, в 20 раз.

Причина высокой стоимости светодиодов на сапфире в том, что технология требует создание отдельного коллектора с зеркальной поверхностью для отражения света, так как иначе свет будет потерян.

В новых светодиодах на кремнии инженеры Пьюрду металлизировали подструктуру кремниевой подложки встроенным отражающим слоем на основе нитрида циркония.

До этого у ученых не получалось создать эффективный светодиод непосредственно на подложке кремния с металлическим отражающим слоем.

Разработчики Пьюрду использовали распространенную в электронной индустрии технологию реактивного осаждения методом распыления.

Используя этот метод ученые бомбардировали цирконий и алюминий положительными ионами аргона в вакуумной камере. Аргон распылил атомы металла, а реакция с азотом в камере вызвала осаждение нитрида алюминия и нитрида циркония на поверхности кремния. Нитрид галлия был осажден с применением другой распространенной технологии известной, как органометаллическая газофазная эпитаксия, проводимой в камере, называемой реактором, при температуре около 1000 градусов по шкале Цельсия.

При осаждении нитридов циркония, галлия и алюминия образовывалась кристаллическая структура соответствующая структуре кремния в процессе так называемого эпитаксиального (послойного) роста: на исходном слое кремния получали слой нитрида галлия, но для приведения кристаллических структур в соответствие (из-за большой разницы в периодах кристаллических решеток) были использованы промежуточные слои нитридов циркония и алюминия.

Использование кремния сделало возможным производство светодиодов на больших подложках, что невозможно при использовании сапфира. Изготовление множества светодиодов на одной пластине  значительно снижает их себестоимость.

Так же кремний более устойчив к воздействию температуры, что увеличивает надежность и жизненный цикл светодиодов.

Широкое распространение твердотельного освещения несет огромное значение в снижении потребления энергии и выделения углерода, так как 1/3 потребления электричества приходится на освещение.

Лампы накаливания выделяют 90% тепла и только 10% света, тогда как эффективность выделения света у белых светодиодов варьируется от 47% до 64%. Но в данный момент такие светодиодные лампы стоят около $100.

Предложенная технология позволит снизить эту стоимость до $5. Как ожидают разработчики, доступные по цене светодиодные лампы появятся на прилавках в течение ближайших 2 лет.

Но у разработчиков все еще остается две актуальные проблемы: снизить дефекты в устройствах и предотвратить растрескивание слоя нитрида галлия при охлаждении кремневой платины после изготовления, в следствие разницы коэффициентов расширения кремния и нитрида галлия (коэффициент расширения кремния меньше, чем у нитрида галлия, при охлаждении нитрид галлия сжимается быстрее, чем кремний и это приводит к вероятности его растрескивания). Но разработчики заявляют, что данная проблема не является фатальным недостатком для технологии, и она может быть устранена методами прикладной инженерии.