История светодиода

История появления светодиодов (электролюминесценции полупроводников) началась в начале 20 века.Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из лаборатории Маркони. В 1923 г. наш соотечественник О.В. Лосев, проводя радиотехнические исследования, заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами. При этом разогрева элементов конструкции не было, свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Однако интенсивность излучения была столь ничтожной, что научная общественность фактически «не увидела» его, по крайне мере, в переносном смысле, так как в электронике тех дней происходили вещи более значимые.

Олег Владимирович Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями:

• он первый в мире показал, что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы;
• он открыл электролюминесценцию полупроводников, т.е. испускание ими света при протекании электрического тока.

Олег Лосев создатель одного из первых светодиодов в середине 1920-гг. В 1923 году Олег Владимирович, работая в Нижегородской радиолаборатории, проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет вобласти светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

Лишь 40 лет спустя, после исследований Лосева О.В. ученые всерьез занялись проблемой «полупроводникового света». Промышленная разработка полупроводниковых ламп началась только в 1951 году. Именно в этом году в Соединенных Штатах Америки был создан центр, занимающийся разработкой ламп, функционирующих на основе «эффекта Лосева». Во главе этого центра стоял знаменитый ученый К. Леховец. Первые светодиоды промышленного назначения были созданы Ником Холоньяком в лабораториях Университета штата Иллинойс (США). Эти светодиоды основывались на структурах GaAsP/GaP. И именно Ник Холоньяк считается «отцом» современных светодиодов. В шестидесятые годы двадцатого столетия были созданы первые цветные светодиоды из GaP, излучающие красный и желто-зеленый свет. Длина волны, которую излучали эти приборы, находилась в пределах верхней границы восприятия человеческого глаза (500-600 нм), поэтому для целей индикации этого зелено-желтого свечения было вполне достаточно. Световая отдача этих светодиодов составляла около 1-2 Лм/Вт, а стоимость была примерно $200 за штуку. Их практическое применение было очень ограничено. В 1968 году была создана первая светодиодная лампа, предназначенная для индикатора Monsanto. В этом же 1968 году в США компания Hewlett-Packard выпустила в свет самый первый в мире светодиодный экран, предназначенный для рекламы. Это был слабосветящийся дисплей, информация на котором отображалась только красным цветом.

Светодиоды той поры - идеальные сигнализаторы состояния «включено-выключено», они тотчас полюбились конструкторам радиоаппаратуры и вскоре засветились на лицевых панелях радиоприемников, телевизоров и т.д. В тоже время начинается бурное развитие отрасли создания светодиодов.

Светодиоды совершенствуются сразу по двум направлениям: расширение диапазона излучения и увеличение светового потока. Кроме этого, в семидесятых годах лауреат Ленинской премии Жорес Иванович Алферов, с группой единомышленников, изобрел «многопроходные двойные гетероструктуры», благодаря которым значительно увеличился внешний световой поток. Это стало возможным за счет сокращения области рекомбинации. Сначала им были предложены гетероструктуры, основанные на GaAs (и его твердых растворах, типа AlGaAs), а некоторое время спустя, он изготовил и гетероструктуры с другими полупроводниковыми комбинациями. Благодаря этому, удалось достичь 15%-ного внешнего светового потока для красной части спектра (светоотдача около10 Лм/Вт), и не менее 30% - для инфракрасного излучения. Это стало своеобразным «прорывом» в области науки и техники, за что впоследствии Ж.И. Алферов был награжден Нобелевской премией.

В тех же семидесятых годах прошлого столетия в лаборатории IBM группой сотрудников под руководством Дж. Панкова были созданы светодиоды с голубым и фиолетовым излучением. Эффект такого свечения стал возможен за счет применения, в качестве основы, эпитаксиальных пленок GaN. Однако срок службы таких светодиодов был очень коротким. В 1976 году выходят в свет желтые, желто-зеленые и красно-оранжевые светодиоды, основанные на фосфидах алюминия-галлия-индия. Эти светодиоды были разработаны и выпущены компанией Hewlett Packard. Чуть позже, в самом начале восьмидесятых годов, ученые М. В. Чукичев и Г. В. Сапарин (Московский Государственный Университет им. Ломоносова) обнаружили яркое люминесцентное свечение частей образца GaN, легированного цинком, при воздействии на него электронного пучка. Понять причину этого явления в то время ученым не удалось.

Начиная с 1985 года поток света, излучаемый светодиодами, увеличился до 10 лм, и появилась возможность их применения в качестве самостоятельных световых элементов (к примеру - лампочки в автомобилях). Проблема приборов с излучением в синем цветовом диапазоне, не находила своего решения вплоть до 1991 года. И лишь 28 марта 1991 года можно считать «днем рождения» синих светодиодов. Родителем этого изобретения стал японский ученый доктор Ш. Накамура (Shuji Nakamura) из компании Nichia Chemical. Ему удалось решить эту задачу при помощи гетероструктуры, основанной на нитриде индия-галлия InGaN. Благодаря этому изобретению, замкнулся «RGB-круг», и теперь появилась возможность получить любой цветовой оттенок, в том числе и различные оттенки белого цвета, путем обычного смешения цветов. В этом процессе могут использоваться, как отдельные разноцветные светодиоды, так и «трехкристалльные», - светодиоды, в корпусе которых объединены кристаллы синего, зеленого и красного свечения. В начале 90-х годов малоизвестная японская фирма Hure выбросила на рынок светодиоды в десятки раз более яркие, чем все их предшественники. Получение светодиодов с большей яркостью становиться возможным за счет поиска и использования новых материалов с большей светоотдачей и цветовым спектром. Первыми появились светодиоды, содержащие Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In) и Фосфор (P) с цветами от красного до желто-зеленого и светоотдачей 20 лм/Вт. В 1993 году японская корпорация Nichia объявила об открытии высокоэффективного материала - нитрида галлия, и на свет вышли светодиоды с цветами от голубого до зеленого. Теперь светодиоды освоили практически весь видимый световой спектр, что существенно расширило области их применения. Полупроводниковая палитра засверкала всеми цветами радуги. Наконец в последний год были открыты органические полупроводники, позволяющие создавать суперсверхяркие светодиоды, что вызвало в настоящее время «светодиодную лихорадку» в Азии. В январе 1994 доктор Никамура создал первый синий светодиод коммерческого назначения. Он был выполнен на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным цинком. К декабрю 1997 года компанией Nichia Chemical Industries были запатентованы главные этапы технологии. Вскоре объем реализации голубых и зеленых светодиодов, произведенных этой компанией, достиг 20 миллионов штук в месяц. К концу ХХ столетия, общее количество выпускаемых в нашей стране светодиодов приравнивалась к 100 миллионам штук в год, а в мире – к десяткам миллиардов. К началу 1990-х годов светоотдача промышленный полупроводниковых светодиодов уже перешагнула рубеж в 30 лм/Вт. С этого времени светодиоды становятся адекватной альтернативой лампам накаливания. В 1997 году инженер Фред Шуберт изготовил первый в мире светодиод, излучающий белый свет. К 1999 году ежемесячный выпуск зеленых и голубых светодиодов компаниями «Toyoda Gosei», «Nichia Chemical», «Cree» и «Hewlett Packard» составляет около сотни миллионов штук. В июле месяце 1999 года доктор Накамура объявил, что яркость излучения светодиодов достигает уже 60 лм/Вт, а мощность светодиодов на основе InGaN, излучающих желтый свет, равна 6 мВт.

2000 год – начался массовый выпуск светодиодов компаниями «Osram» и «Nichia Chemical». В том же, 2000 году «Большой Тройкой» - LumiLeds / Phillips, Osram / Cree и GELcore / Uniroyal/GE было инвестировано свыше 70 миллионов долларов в исследовательскую деятельность, связанную с возможностями применения и производства светодиодов. К середине 2006 года среднее количество электронных светодиодных придорожных рекламных биллбордов на территории США приравнивалось к 200 штук, однако уже через год это количество удвоилось. Благодаря такой рекламе, произошел ощутимый скачок во всех сферах производства и реализации светодиодов. К концу 2006 года светодиоды заняли прочные позиции на современном рынке, и сфера их применения значительно расширилась. Основной объем рынка мощных светодиодов к этому годураспределяется следующим образом: Мобильные устройства – около 50% Автомобильная светотехника – не менее 15% Всевозможные табло, экраны и пр. – 15% Применение светодиодов в качестве альтернативного общего освещения не превышает 5%, что составляет около 200 миллионов долларов. Однако по прогнозам аналитиков, к 2011 году эта цифра возрастет до 1 миллиарда долларов, а доля светодиодного освещения составит от 30 до 50% от общего.