Ученые МИФИ нашли способ повысить энергоэффективность осветительных устройств

Энергоэффективность и энергосбережение стоят на первом месте в ряду пяти приоритетных направлений инновационного развития России. Одним из методов, позволяющим повысить эффективность использования электроэнергии, является замена ламп накаливания на более экономичные осветительные устройства, например, твердотельные источники света.

Твердотельные источники света наиболее экономично используют энергию по сравнению с предшествующими поколениями электрических источников света – дуговыми, накальными и газоразрядными лампами. Элементарным кирпичиком современных твердотельных систем освещения является светодиод белого цвета свечения – обычно это «синий» чип, покрытый слоем люминофора желтого цвета свечения, который поглощает часть «синего» излучения и переизлучает его в желтой области спектра.

При производстве светодиодов один или несколько чипов монтируются на специальную плату. Установка чипов на плату может быть выполнена двумя способами: прямым монтажом и методом перевернутого кристалла, так называемым «флип-чип» методом. Процесс «флип-чип» монтажа заключается в присоединении полупроводниковой структуры к носителю активной стороной вниз. Основными преимуществами «флип-чип» метода монтажа являются отказ от использования проволоки для термокомпрессионной сварки, увеличение плотности размещения компонентов, возможность монтажа на гибкие носители.

Совершенствование твердотельных источников света невозможно без разработки эффективных светодиодов. Одной из основных проблем, стоящих при создании светодиодов высокой яркости, является низкий коэффициент вывода света из кристалла. Из-за большой разницы в значении показателя преломления согласно закону Снеллиуса существенная часть сгенерированного излучения отражается внутрь на границе раздела полупроводник–воздух или полупроводник–подложка при «флип-чип» монтаже, и только небольшая его доля попадает наружу.

Применение подложек из карбида кремния SiC с высоким коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления GaN, позволяет избавиться от явления полного внутреннего отражения на границе подложка – гетероструктура. В результате свет практически свободно распространяется в подложку, однако в этом случае особую актуальность приобретает проблема вывода излучения с внешней границы раздела «подложка-среда» за счет подавления волноводного эффекта. Наиболее эффективным способом преодоления этой проблемы на сегодняшний день считается создание рассеивающих свет поверхностей.

Поэтому целью работы, выполненной коллективом НОЦ «Нанотехнологии» МИФИ, являлось формирования рельефа на поверхности карбида кремния методом плазмохимического травления для увеличения внешнего квантового выхода светодиодов синего цвета свечения на основе гетероструктур InGaN/GaN.

В процессе сухого травления на нижнюю сторону подложки 4Н-SiC был нанесен микро- и нанорельеф с сетчатой формой текстуры. Размеры элементов текстуры варьировались от 3´3 мкм² с расстоянием между ними 2 мкм, до 0,2´0,2 мкм² с расстоянием 0,2 мкм. Измерения выходной мощности света показали, что по сравнению со светодиодом, не имеющим текстурирования, все кристаллы с текстурированной подложкой имеют значительно более высокую светоотдачу – выше в 1,5 – 2 раза. Кроме того, светоотдача зависит от размеров неоднородностей, и светодиоды, имеющие размер элементов текстуры 400-500 нм, характеризуются самым высоким квантовым выходом. Это качественно объясняется не только диффузным рассеянием света на полученном нанорельефе, но и формированием стоп-зон для распространения излучения вдоль поверхности.

«Разработанная технология получения рельефной поверхности SiC может использоваться в условиях серийного производства «флип-чип» светодиодов. Ее внедрение позволит значительно повысить энергоэффективность отечественных осветительных устройств», – прокомментировал один из участников проекта, заместитель директора ИФЯЭ НИЯУ МИФИ Александр Гусев.