Nowe, tańsze diody LED

Wysoka cena lamp LED to główny powód niewielkiej popularności energooszczędnych żarówek. Jeden z największych na świecie producentów LED,firma Osram Opto Semiconductors, ogłosiła, że znacząco poprawiła technologię, która pozwoli na obniżenie kosztó produkcji diod LED.

Białe diody LED są najczęściej produkowane poprzez nakładanie fosforowej powłoki luminoforów na niebieskie diody na bazie azotku galu (GaN). Następnie producenci umieszczają cienkie warstwy azotku galu na kosztownych szafirowych podłożach. Naukowcy z firmy Osram opracowali nowe diody LED na podłożach krzemowych (GaN-on-Si), których cena jest trzykrotnie niższa od szafiru. Ponadto krzemowe substraty mogą być jeszcze tańsze, jeśli będą wykonane na większych powierzchniach.

Firma utrzymuje, 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 badania są teraz na etapie testowania i optymalizacji nowych diod. Prawdopodobne rozpoczęcie sprzedaży nastąpi w ciągu najbliższych dwóch do trzech lat.

Osram niejest jedyną firmą, która pracuje nad produkcją tańszych diod GaN na krzemowym podłożu. Chińska firma Lattice Power poinformowała, że rozpoczęła już ich komercyjną produkcję przy użyciu tej samej techniki, a w zeszłym miesiącu również BRIDGELUX przyznał, że nawiązał w tym celu współpracę z Toshibą. Do końca tego roku także brytyjska firma Plessey Semiconductors planuje produkcję diod LED na bazie krzemu, wykorzystując technologię nabytą od spin-offu CamGaN z Uniwersytetu w Cambridge. Nieoficjalne źródła podają, że krzemowym rozwiązaniem zainteresowane są też Philips i Samsung.

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

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

Największe wyzwania związane z wytwarzaniem diod GaN na waflach krzemu są powodowane tym, że oba materiały rozszerzają się i kurczą się w różnym tempie. LED-y powstają w wysokiej temperaturze, w czasie chłodzenia materiału emitująca światło warstwa azotku galu pęka z powodu napięcia na krzemowym podłożu. Chcąc rozwiązać ten problem, badacze wprowadzili wokół azotku galu dodatkowe cienkie warstwy materiałów takich jak AlGaN (glino-azotek galu), które amortyzują napięcie wytwarzane podczas chłodzenia.

Co zaskakujące, podczas gdy wielu producentów LED stawia  na krzem, 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 - uważa Michael Krames, dyrektor technologiczny Soraa.

- 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 - twierdzi Peter Stauss z Osram Opto Semiconductors.

Steve Denbaars, profesor inżynierii materiałowej i elektrycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, a także współzałożyciel firmy Soraa jest jednak zdania, 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.

(ma)