Bridgelux заявила о создании светодиодов на основе технологии GaN на кремнии, которая обеспечивает светоотдачу 160 лм/Вт (холодное белое свечение) и 125 лм/Вт (теплое белое свечение).

Производительность компонентов, созданных на 8-дюймовых подложках (см. рис. ниже), сопоставима с максимальной светоотдачей продукции от ведущих поставщиков светодиодов на традиционно используемых сапфировых или карбидо-кремниевых подложках. Bridgelux заявила о том, что структура GaN на кремнии обеспечит 75-% выигрыш в стоимости светодиодных компонентов, что, в свою очередь, приведет к снижению стоимости твердотельных ламп и светильников.

8-дюймовая пластина GaN на кремнии

Цветовая температура новых светодиодов холодного свечения составляет 4350 К, а теплого белого – 2940 К. Коэффициент цветопередачи компонентов с теплым белым свечением равен 80. Степень преобразования электрической энергии в оптическую у 1,5-мм синих светодиодов достигает 59% при токе 350 мА, что превышает все заявленные показатели других производителей.

От разработки – к производству

Несомненно, заявление Bridgelux касается только экспериментальных образцов, производство которых начнется, возможно, через два года. Однако достигнутые результаты свидетельствуют о заметном прогрессе в исследованиях компании. В марте Bridgelux заявила о создании экспериментального образца светодиода с эффективностью 135 лм/Вт. С тех пор компании удалось значительно повысить светоотдачу компонентов на 8-дюймовых подложках, что является хорошим заделом для производства недорогостоящих компонентов.

По словам Джейсона Посселта (Jason Posselt), вице-президента отдела маркетинга Bridgelux, компании удалось сократить разрыв в 1–1,5 года в показателе эффективности по сравнению со светодиодами на сапфировых подложках, запустив программу разработки компонентов на основе GaN. Однако все еще не решена проблема коммерциализации этой технологии. Пока компании удается производить на 8-дюймовых подложках около 1 тыс. качественных кристаллов при потребности в 20 тыс.

Стоимостные преимущества кремниевой технологии

Преимущества светодиодов на кремниевых подложках – исключительно в стоимости этой продукции и экономии, достигаемой за счет двух главных обстоятельств. Во-первых, полупроводниковая индустрия доказала возможность производства больших кремниевых пластин при относительно малых затратах. Использование кремния позволяет не только снизить стоимость пластин, но и быстрее перейти на пластины более крупных размеров. По словам Лонга Янга (Long Yang), вице-президента отдела кремниевых технологий Bridgelux, из трех 8-дюймовых кремниевых пластин можно изготовить то же количество светодиодов, что и из 42-х 2-дюймовых сапфировых пластин.

Во-вторых, дополнительная экономия достигается на конечном этапе производственного процесса. По словам Посселта, светодиодное производство, как правило, очень трудоемкое и неавтоматизированное. Напротив, автоматизированные фабрики гораздо быстрее обрабатывают 8-дюймовые пластины при большем числе годных.

Разумеется, существуют проблемы технического и экономического характера, которые стоят на пути перехода к кремниевым пластинам. На неофициальном мероприятии, состоявшемся в рамках торговой выставки Semicon, прозвучали мнения о том, что переход на кремниевую технологию не позволит снизить стоимость наиболее дорогого этапа производства светодиодов, на котором используется MOCVD-реактор. По мнению Янга из Bridgelux, на долю MOCVD-реактора приходятся 40% капитальных затрат светодиодного производства. Янг считает, что заметную экономию может обеспечить автоматизация остальных систем, участвующих в кремниевом производстве.

Проблемы применения кремниевых пластин

Среди нерешенных проблем применения технологии GaN на кремнии является температурное несоответствие между кремниевой подложкой и слоями нитрида галлия, что приводит к трещинам в этих слоях и изгибу подложек либо при эпитаксиальном выращивании кристаллов, либо после его окончания. Bridgelux заявила, что ей удалось решить эту проблему с помощью буферного слоя собственной разработки.

Однако компании предстоит решить и другие задачи, к которым относится обеспечение полной совместимости технологических операций при переходе на 8-дюймовые пластины. В скором времени Bridgelux решит и эту проблему. Кроме того, ей понадобится обеспечить лучшую однородность структуры пластин при их обработке в MOCVD-реакторе (см .рис. ниже).

8-дюймовая пластина в MOCVD-реакторе

Возможность переноса технологии

Основная трудность в налаживании производства по новой технологии, по мнению Лонга, заключается в обеспечении возможности переноса технологии, т.к. даже два MOCVD-реактора одной модели имеют внутренние различия. Bridgelux предстоит разработать метод, который не только успешно будет работать на одной модели реактора, но и применяться на моделях реакторов других поставщиков.

Янг назвал и другие преимущества технологии нитрида галлия на кремнии. Они состоят в упрощенном управлении вариативностью при загрузке пластин автоматами. Несомненно, что производство светодиодов на сапфировых и карбидо-кремниевых подложках тоже совершенствуется в направлении автоматизации процессов, но для этого требуется время и деньги.

По словам Посселта, необходимо найти партнера, который обладал бы необходимым опытом в производстве светодиодов на кремниевых пластинах.

Таким образом, Bridgelux энергично разрабатывает технологию создания структур GaN-on-Si, совершая переход от производства светодиодов на сапфировых подложках к коммерческому производству источников света на нитридо-галлиевых структурах на кремнии, которое, по словам президента этой компании Стива Лестера (Steve Lester), будет запущено через два года.