В настоящее время, общее направление работы светотехнической общественности должно быть направлено на сокращение энергопотребления и уменьшение загрязнения окружающей среды. То есть речь идет не об уменьшении освещённости, а о более рациональном и эффективном использовании освещения. Одним из наиболее перспективных шагов на этом пути является разработка и использование энергоэкономичных источников света – светодиодов.
Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий свет при прохождении тока через p-n–переход в прямом направлении. Сильно не вдаваясь в физические подробности, скажу, чтобы p-n-переход излучал свет, должны выполняться следующие два условия.
Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона.
Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы их соблюсти, одного р-n-перехода в кристалле недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Их называют гетероструктуры (именно за изучение гетероструктур академик Алферов получил Нобелевскую премию). Это послужило новым этапом в развитии технологий изготовления светодиодов.
Производство светоизлучающих диодов сталкивается с некоторыми трудностями. Поскольку создание светодиодов - это динамично развивающаяся отрасль светотехнической промышленности, то сложившихся законов и правил их применения пока не существует. Нет нормативной документации, относящейся к процессу производства и использования светодиодов. Каждое крупное производство старается найти свои критерии отбора продукции, но, к сожалению, неких международных соглашений не существует. Хотя в этом направлении в последнее время ведется активная работа и достигнуты хорошие результаты, надо понимать, что создание единых требований к светодиодной технике – дело не одного года. Чтобы понять, в чем сложность создания подобной документации, следует ознакомиться с технологией производства.
Рассмотрим поэтапно процесс создания светодиодов.
1. Выращивание кристалла.
Здесь главную роль играет такой процесс, как металлоорганическая эпитаксия. Эпитаксия – это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксиальный рост полупроводников (а светодиод – это именно полупроводник) осуществляется методом термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Для такого процесса необходимы особо чистые газы, что предусмотрено в современных установках. Толщины выращиваемых слоев тщательно контролируются. Важно обеспечить однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста доходит до полутора миллионов евро. А процесс наладки получения высококачественных материалов для будущих светодиодов занимает несколько лет.
2. Создание чипа.
На этом этапе имеют место такие процессы, как травление, создание контактов, резка. Весь этот комплекс получил название «планарная обработка пленок». Пленка, выращенная на одной подложке, разделяется на несколько тысяч чипов.
3. Биннирование.
Биннирование (сортировка чипов) – особенно важный процесс производства светодиодов, о котором несправедливо часто забывают упоминать в литературе. Дело в том, что при производстве любой продукции должны соблюдаться некие критерии отбора. Но на вышеописанных стадиях производства светодиода невозможно добиться абсолютного сходства изделий по его характеристикам. Изготовленные чипы изначально имеют характеристики, различающиеся в некотором диапазоне. Чипы сортируют на группы (бины).
В каждой группе определённый параметр варьируется в определённых пределах. Сортировка происходит по:
- длине волны максимума излучения;
- напряжению;
- световому потоку (или осевой силе света) и т. д.
Биннирование, как способ градации светодиодной продукции, находит применение на производстве и, следовательно, в наименовании поставляемой продукции. Оба эти факта делают применение светодиодов доступным для широкого круга пользователей.
4. Создание светодиода.
Создание непосредственно светодиода – это заключительный этап технологической цепочки. Создается корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол).
Линзы должны:
- быть максимально прозрачными;
- пропускать свет во всем оптическом диапазоне;
- обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы;
- быть температурно стабильными;
- обладать высоким сроком службы (что характеризуется к воздействию излучения кристалла и химическому воздействию люминофора, если таковой применен).
