Tańsze diody LED w drodze

fot. Osram

Oświetlenie LED na krzemowym podłożu będzie tańsze nawet o 75%

Wysoka cena lamp LED jest wciaż najważniejszym czynnikiem zniechęcającym do modernizacji oświetlenia i przejścia na energooszczędne zamienniki tradycyjnych źródeł światła. Jeden z największych na świecie producentów LED, Osram Opto Semiconductors, twierdzi, że udoskonalił technikę, która może znacznie obniżyć koszty produkcji diod LED.

Białe diody LED są najczęściej wytwarza się poprzez nakładanie fosforowej powłoki luminoforów na niebieskie diody na bazie azotku galu (GaN). Zazwyczaj producenci umieszczają cienkie warstwy azotku galu na kosztownych szafirowych podłożach. Zamiast tego inżynierowie Osram opracowali diody LED na podłożach krzemowych (GaN-on-Si), których cena jest trzykrotnie niższa od szafiru. Okazuje się, że krzemowe substraty mogą być jeszcze tańsze, jeśli będą wykonane na większych powierzchniach.

Firma twierdzi, że jej bazujące na krzemie białe diody LED wytwarzają 127 lumenów z każdego wata mocy, co odpowiada najbardziej wydajnym dostępnym obecnie diodom na bazie szafiru. Kierujący projektem w Osram Peter Stauss mówi, że naukowcy są teraz na etapie testowania i optymalizacji nowych diod i oczekuje rozpoczęcia ich sprzedaży w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat.

Osram jest jedną z kilku firm uczestniczących w wyścigu, którego celem jest produkcja tańszych diod GaN na krzemowym podłożu. Chińska firma Lattice Power twierdzi, że rozpoczęła już ich komercyjną produkcję przy użyciu tej samej techniki, a w zeszłym miesiącu również BRIDGELUX poinformował, że nawiązał w tym celu współpracę z Toshibą. Do końca tego roku także brytyjska firma Plessey Semiconductors ma w planach produkcję diod LED na bazie krzemu, wykorzystując technologię nabytą od spin-offu CamGaN z Uniwersytetu w Cambridge. Nieoficjalnie mówi się, że krzemowym podejściem w produkcji LED zainteresowane są też Philips i Samsung.

Osram nie zadeklarował jeszcze, o ile tańsze będą nowe LED-y, ale firmy BRIDGELUX i Plessey potwierdziły, że wykorzystanie krzemowych substratów może obniżyć koszty produkcji białych diod o 75% lub więcej. BRIDGELUX przewiduje nawet, że nowa technologia obniży cenę LED-owego zamiennika 75-watowej żarówki do 5 dolarów za sztukę (obecnie jej koszt to ok. 40 USD). 

W porównaniu z szafirem, wytworzenie krzemowych wafli o dużej średnicy jest znacznie łatwiejsze i tańsze, co umożliwia redukcję kosztów całego procesu produkcyjnego. Innym powodem atrakcyjności krzemowych substratów jest możliwość wykorzystania istniejących maszyn, rozwijanych na potrzeby przemysłu elektronicznego, w tym chipów krzemowych. BRIDGELUX demonstrował już urządzenia do wytwarzania wafli krzemowych o szerokości 20 cm.

Największe wyzwania związane z wytwarzaniem diod GaN na waflach krzemu wynikają z tego, że oba materiały rozszerzają się i kurczą się w różnym tempie. LED-y powstają w wysokiej temperaturze, a kiedy materiały są chłodzone, emitująca światło warstwa azotku galu pęka z powodu napięcia na krzemowym podłożu. Aby obejść ten problem, badacze wprowadzili wokół azotku galu dodatkowe cienkie warstwy materiałów takich jak AlGaN (glino-azotek galu), które pomagają zamortyzować napięcie wytwarzane podczas chłodzenia.

Podczas gdy wielu producentów LED idzie w kierunku krzemu, amerykański start-up Soraa używa substratów z azotku galu (GaN-on-GaN).

- Rozwiązanie to zmniejsza niedopasowanie struktury krystalicznej między dwoma warstwami, w wyniku czego minimalizuje się liczbę defektów. Powstałe w ten sposób diody LED są droższe niż te na podłożu krzemowym, ale są także 10 razy jaśniejsze. Kluczowa jest więc wydajność diod, to ona będzie odpowiedzialna za obniżenie kosztów oświetlenia LED - mówi Michael Krames, dyrektor technologiczny Soraa. 

Więcej na ten temat: Soraa LED

- Obecnie przewaga kosztowa krzemowych substratów jest dla producentów LED bardziej korzystna. Podłoża z azotku galu mogą być lepszym wyborem, gdy staną się znacznie tańsze. Przy obecnej cenie materiału nie ma szans na ich komercyjne wykorzystanie - przekonuje Peter Stauss z Osram Opto Semiconductors.

Z kolei Steve Denbaars, profesor inżynierii materiałowej i elektrycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, a także współzałożyciel firmy Soraa uważa, że ​zarówno azotek galu, jak i podłoża krzemowe mają równe szanse na wyparcie szafiru przy produkcji LED. 

- Podczas gdy azotek galu może mieć przewagę w wydajności, jest też duża szansa, że krzem zdetronizuje szafir wyłącznie ze względu na popularność tego materiału w zakładach produkcyjnych na całym świecie - dodaje profesor.

Źródło: Technology Review