Полупроводниковая светотехника: Направления конкурентной борьбы на светодиодном рынке

Именно в этой сфере Россия может дать производителям светодиодов огромное преимущество в виде обширной территории, в особенности в северной части страны, которая является идеальным местом для тестирования пилотных проектов и дальнейшего распространения продукции, успешно прошедшей тестирование. Экономия и перераспределение электроэнергии на севере страны, в городах, лежащих за полярным кругом, становится делом государственной важности. Российский рынок в настоящее время мал, он составляет примерно 1% от мирового. Большинство российских светодиодных компаний не могут похвастаться самостоятельным изготовлением светодиодов. Они закупают за рубежом светодиодные чипы либо уже готовые корпусированные светодиоды и монтируют их в светотехнику собственного производства.
Группа компаний «Оптоган» — одна из немногих в мире вертикально интегрированных светодиодных компаний. Один из основных принципов работы фирмы заключается в производстве светотехнической продукции только на основе собственных светодиодов. На сегодня светодиоды производятся в Германии, но «Оптоган» активно наращивает производственные мощности в России и намерен в последующие два года перевеcти сюда полный технологический процесс производства. Все это делается с целью занять существенную долю российского рынка.
 Учитывая поддержку государственных структур и наличие ряда государственных программ, способствующих развитию инновационных компаний, можно предположить, что в скором будущем российский рынок будет достаточно развит и на нем появятся светодиоды и светодиодная светотехника различных российских производителей.
Компания «Оптоган» обладает собственными уникальными запатентованными разработками в области эпитаксиального выращивания светоизлучающих гетероструктур и процессирования светодиодных чипов. Одн из таких разработок — собственно процесс выращивания полупроводниковой гетеро- структуры с пониженной плотностью дислокаций.
Одна из главных проблем светодиодов — это ограничение по максимальному току, который может через него пропускаться. С увеличением тока эффективность преобразования электрической энергии в световую резко снижается. Большая часть энергии преобразуется в тепло, вызывая повышение температуры светодиода, что, в свою очередь, ведет к сокращению срока его службы. Это в основном обусловлено паразитными процессами безызлучательной рекомбинации носителей заряда на дефектах кристаллической структуры GaN — ростовых дислокациях (РД). Ростовые дислокации возникают при эпитаксиальном росте пленок нитрида галлия на подложках (например сапфира или карбида кремния), рассогласованных с ним по параметру постоянной решетки.
Основателями «Оптогана» в результате исследований была разработана теоретическая модель, позволяющая описывать эволюцию плотности РД в зависимости от толщины эпитаксиальной пленки GaN с учетом управляемого изменения наклона РД путем контроля режимов роста пленки.
 Предсказано, что управление параметрами модели позволяет достичь уменьшения плотности РД вплоть до 2,0×107 см–2 для пленок микронной толщины, в то время как обычно достижимая плотность РД составляет 108–109 см–2. Была предложена новая экспериментальная многоступенчатая схема роста пленок GaN, которая отличается эффективностью и простотой реализации. В частности, данная схема может быть реализована без дорогостоящих технологических операций, связанных с остановками и повторными запусками технологического процесса. В результате наблюдаемая в эксперименте плотность РД оказывается порядка 5,0×107 см–2, что соответствует предсказаниям модели.
Другим существенным аспектом создания качественных GaN-подложек и буферных слоев является снижение уровня механических напряжений. Компанией «Оптоган» предложен новый метод, основанный на создании заращиваемых пустот (микро- и нанопор) в полупроводниковой структуре с помощью контролируемого травления и последующего изменения режимов роста нитридных слоев. Наличие пор в буферном слое GaN позволяет попутно улучшить выход света из светодиодных чипов за счет эффективного изменения показателя преломления гетеро структуры.
Благодаря современным технологиям и разработкам компания «Оптоган» вполне способна составить конкуренцию основным производителям как по эффективности и качеству, так и по цене производимых светодиодов. Уже сейчас основная борьба между производителями разворачивается по нескольким направлениям.
В первую очередь, это, конечно, общее увеличение светоотдачи с единицы площади светодиодного чипа и связанной с этим эффективности светодиодов. Можно сказать, что в этом году типовые значения эффективности составляли 100 лм на 1 Вт. Уже в следующем году типовые значения могут возрасти до 120 лм/Вт. К 2015 г. Ожидается достижение границы в 180 лм/Вт. То есть в течение пяти следующих лет ожидается рост эффективности и соответствующего снижения потребления энергии еще на 80% по отношению к сегодняшнему уровню.
Следующим важным направлением является разработка и внедрение светодиодов с высокой цветопередачей. Производители  переходят на более сложные по составу люминофоры. Многих потребителей уже не устраивает «больничный» белый свет светодиод ного светильника, искажающий цвета освещаемых объектов. Все более востребованными становятся светодиоды c коэффициентом цветопередачи более 90%.
Третьим направлением является борьба за качество светодиодов, удовлетворяющих новым потребительским стандартам. Показательной является ситуация в США, где уже разработаны нормы US IESNA LM80 для светодиодных компонентов и LM79 для светодиодных ламп. Лампы и компоненты, не соответствующие данным нормам, в ближайшем будущем практически невозможно будет вывести на американский потребительский рынок.
Кроме этого, производители светодиодной техники стараются создавать эффективные осветительные приборы, максимально дружественные к конечному потребителю и не требующие специальных навыков и знаний при их монтаже. Достижение поставленных целей возможно различными способами, что стимулирует рост количества оригинальных разработок и технологий практически на каждом этапе производства как отдельного светодиода, так и светодиодного светильника или иного светодиодного устройства.
Так, повышение эффективности светодиода происходит не только за счет совершенствования эпитаксиальных структур светодиодного чипа, но и за счет изменения дизайна чипа, позволяющего более равномерно распределять большие токи по поверхности и тем самым улучшить эффективность излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар в полупроводниковой структуре и, в конечном итоге, эффективность светодиода. Материалы, покрывающие светодиодный чип, изменяются с целью уменьшения внутреннего отражения на границе сред и увеличения оптического выхода из чипа во внешнюю среду. Сами корпуса светодиодов также претерпевают изменения с целью улучшения отражения света и предотвращения временной деградации материала корпуса, в том числе и под действием внешнего ультрафиолетового излучения солнца.
За каждым из подобных новшеств стоят серьезные научные исследования и разработки в области полупроводников, теплофизики, оптики, электротехники и химии. Каждый месяц ведущими мировыми производителями патентуются несколько десятков новых изобретений, так или иначе связанных со светодиодной тематикой. Именно поэтому светодиоды — это не только результат инновационной деятельности, но также и источник для деятельности подобного рода в смежных областях.
Однако пока в светодиодах не все так гладко, как любят описывать в рекламе некоторые производители светотехники. В настоящее время активно рекламируется срок жизни светодиодов порядка 100 000 часов, это более 11 лет. Но при этом никто не делает оговорки о том, что речь идет о долговечности самого светодиода при определенных, достаточно комфортных условиях, и не учитывается срок службы, например, источника питания, который в настоящий момент в среднем короче, чем срок службы самого светодиода.
Эффективность и долговечность светодиодов существенно падает при росте температуры. Если светодиодный светильник перегревается, то все его преимущества сводятся на нет, вплоть до того, что такой светильник очень быстро выходит из строя. Именно в этом и кроется основная проблема для повсеместного внедрения светодиодной техники — острая нехватка специалистов, умеющих создавать качественные светодиодные осветительные приборы и комплексные решения, работающие в различных, порой сложных внешних условиях. На рынке нет недостатка в качественных светодиодных компонентах, но пока есть недостаток в людях, умеющих правильно разрабатывать светодиодные устройства с эффективной электроникой, правильной оптикой и термическим регулированием.
Покупка эффективного светодиода автоматически не гарантирует, что устройство также будет эффективным. Как раз непродуманные решения приводят к производству некачественных светодиодных систем, которые в итоге приносят конечным потребителям большие разочарования и вредят всему имиджу светодиодной техники. Именно поэтому компания «Оптоган» ведет поиск и сотрудничает только с наиболее перспективными производителями светотехники с целью создания эффективных высококачественных светодиодных приборов, адаптированных к российским условиям.

Источник: Полупроводниковая светотехника №4'2010