В останнє десятиліття світлодіоди на найближчі десятиліття проглядаються як повна заміна традиційного освітлення на світлодіодне світло (led light) в масштабах всієї планети. Кінця і краю цього процесу не видно, і єдиним фактором, що стримує перехід на світлодіодні технології в освітленні, є ціна питання. В даний час функціональність світлодіода, а випускається їм світловий потік. У зв'язку з цим вони заду-лись питанням: а як, власне, підвищити ефективність світлодіодів і знизити їх вартість? Збільшення ефективності виходу світла може бути реалізовано різними способами: удосконаленням якості матеріалів, поліпшенням структури чіпа і технології його формування, текстуруванням поверхні, поліпшенням властивостей підкладки і т.д.
Зниження вартості світла може бути досягнуто збільшенням щільності струму, що проходить через світлодіодний чіп. Якщо залежність квантового виходу від прямого струму вельми лінійна до певного значення струму без насичення, то потік світла, що виходить від одного емітера з тим же самим розміром чіпа, може бути в рази вище на більш високих токах. Відповідно від-носіння долар / люмен буде менше. Максимальний струм, який може бути пропущений через світло-діодний чіп, залежить від наступних двох факторів:
1. tок, на якому чіп може працювати без істотної деградації;
2. tок, при якому ефективність світлодіодного чіпа (люмен / ват) знижується не надто сильно.
У недавньому минулому світлодіоди працювали з щільністю струму 20А / см2. Тепер деякі потужні світлодіоди (Power LEDs) працюють на 70-100А / см2. Щоб забезпечити тривалу роботу потужних світлодіодів без істотної деградації, необхідно підібрати світлодіодний чіп з кращими властивостями щодо відведення тепла і розробити відповідний корпус. AlGaInP і AlGaInN чіпи вирощені на арсенід-галієвих і сапфірових підкладках відповідно. Ці підкладки не є хорошими теплопровідними матеріалами. Теплопровідність GaAs і Al2O3 - 44Вт / (м-К) і 35Вт / (м-К). Для бо-леї ефективного видалення тепла і зниження температури переходу існують три різних під-ходу:
Зменшення товщини підкладки
Технологія зворотного монтажу (flip chip), що дозволяє розташувати випускає світло p-n перехід близько до теплоотводу.
Видалення початкової підкладки, яка використовується для росту світлодіодних гетероструктур, і потім - переміщення епітаксійних шарів на електро- і теплопровідність підставу.
Перший підхід - найлегший, але зробити підкладку тонше ніж 50нм досить проблематично. Другий підхід вже використовувався Matsushita і Lumileds, щоб поліпшити як ефективність виходу, так і відведення тепла в GaN світлодіодах. Багато компаній також розробили flip chip технологію для AlGaInP світлодіодів з метою збільшення ефективності та операційних характеристик на високих токах. Однак, flip chip процес досить складний і дорогий.
Багато компаній, включаючи Osram, Nichia, Sanken, VPEC, AET Optotech, Arima і Epistar, оголосили про успішну розробку технології thin film transfer, використовуючи третій підхід. Цей підхід є найефективнішим за вартістю способом для виготовлення світлодіодних чіпів високої потужності.
Розгін по-китайськи. Розглянуті вище підходи підвищення ефективності і зниження вартості світлодіода можуть бути застосовані виробниками світлодіодних структур. Численні ж споживачі світлодіодних чіпів мають менше інструментів для зниження вартості світлодіодного світла.
На яких токах здатний працювати світлодіодний кристал, який максимальний вихід світла він може забезпечити? Однозначно відповісти важко.
Ключовий внесок в забезпечення тривалого терміну служби, надійності і ефективності вносить корпусіровка яскравих світлодіодів. Теоретично, вирішивши питання відводу тепла від активної зони, можна змусити працювати чіп на більш високих токах, забезпечивши тим самим більш високий квантовий ви-хід. Грамотний проект лінзи дозволить знизити внутрішнє поглинання та відбиття, істотно по-висів оптичну ефективність. А резерви для підвищення тут великі. Наприклад, ефективність оптичної системи 5мм світлодіодів не перевищує 30%.
Але жадоба наживи, а також нинішній рівень цін продиктували іншу поведінку на ринку. Численна армія китайських виробників світлодіодів швидко застосувала вищезгаданий принцип розгону світлодіодів по току, пропонуючи 0.04-0.03 долара за люмен. Щоб зрозуміти, наскільки адекватна ціна заявленим характеристикам, ми протестували сотні зразків світлодіодів білого світіння від різних азіатських виробників.
Переважна більшість білих світлодіодів піддалося незворотної деградації: світловий потік зменшився до 50% величини від початкового значення вже протягом 1-2 місяців (700-1500 годин); в ряді випадків також спостерігалася деградація фосфору і пов'язане з цим зміна кольору світлодіодів.
Ми досліджували причини такої сильної деградації:
Величина прямого струму
Корпуси, використовувані для світлодіодів, були розроблені щодо давно, і, використовуючи високо-автоматизовані процеси складання, забезпечують мінімальну кінцеву вартість компонентів. Але така упаковка не була розрахована для установки яскравих світлодіодів. Розмір посадкового місця для кристала не перевищує 12mil, посадка кристала можлива тільки за класичною схемою, а конструкція корпусу не забезпечує необхідний відвід тепла. Щільно закутаний в епоксидну шубу світлодіодний чіп схильний швидкої деградації квантового виходу. Застосування теплопровідних пакувальних матеріалів, схоже, не котирується серед азіатських виробників, так як призводить до підвищення вартості кінцевих продуктів.
Якість використовуваних чіпів
Ми зробили опитування фабрик, які надали зразки світлодіодів на предмет походження і типу використовуваних кристалів. Попри всю різноманітність постачальників світлодіодних структур, переважна більшість виробників світлодіодів використовувало кристали, виготовлені за однотипною технологією і мають широко відому структуру - прототип фірми Nichia з прозорим p-контактом.
На сьогоднішній день це найбільш дешева технологія, що забезпечує високу ефективність квантового виходу і вже знайшла широке застосування в мобільних пристроях. Кристали даного типу погано поводяться в умовах гарячого оточення, і їх використання в дискретних компонентах, призначених для освітлення, вкрай небажано. Крім того, за своїми характеристиками вони значно поступаються (якщо не сказати, що взагалі мають мало спільного) кристалів Nichia, цілком ймовірно через недосконалість обладнання та недотримання технологічного процесу їх вирощування.
Порушення технології при складанні світлодіода
Не можна однозначно виділити ту чи іншу причину, що приводить до погіршення властивостей, деградації і відмови світлодіодів.
Недобросовісна конкуренція серед китайських та інших азіатських виробників призвела до того, що ми маємо: в яскравих білих світлодіодах (White HB LEDs) встановлюються найбільш дешеві кристали з доступних на ринку, маловідомих виробників, призначені для інших примі-нений, дрібно нарізані і схильні до деградації, як теплової зважаючи на особливості використовуваної технології, так і електричної зважаючи якості техпроцесу. Встановлено такі кристали в корпусу, більш ніж скромні по своїх теплових, оптичних та інших властивостей. Причому спочатку ці світлодіоди вважаються придатними, оскільки стартові яскравість (світловий потік / осьова сила світла), падіння напруги на переході, колірні координати і інші параметри відповідають всім характеристикам, зазначеним в специфікації виробника.
Багато імпортерів, які не мають умов для повноцінного тестування, уклали контракти на дистрибуцію таких компонентів, керуючись виключно низькою закупівельною ціною.
Насправді ж термін служби таких компонентів не перевищує декількох сотень годин, що підтвердилося в ході проведених випробувань.
Чи всі азіатські світлодіоди погані?