Verbesserte Siliziumsubstrat-LEDs als kostengünstige Lösung für die Festkörperbeleuchtung

Die gängige Technologie zur Herstellung heutiger High-Brightness-LEDs ist die Kombination von Galliumnitrid (GaN) mit Saphir- oder Siliziumkarbid-(SiC)-Substraten. Die Materialien sind beliebt, da mit diesem Verfahren helle, effiziente und langlebige LEDs hergestellt werden können. Die entsprechenden Chips sind jedoch schwierig zu fertigen und in benutzbare Formate zu verpacken, sodass sich die Kosten von Endprodukten, die diese als Licht-Engines verwenden, vervielfachen. Auch wenn die Preise in den vergangenen Jahren drastisch gesunken sind, ist LED-Beleuchtung immer noch deutlich teurer in der Anschaffung als herkömmliche Alternativen. Diese vergleichbar hohen Anfangskosten gelten als entscheidender Faktor, der eine größere Akzeptanz der Festkörper-Beleuchtung (Solid-State Lighting, SSL) bremst.

Eine Vorreitergruppe von Herstellern arbeitet seit einigen Jahren hart daran, die Kosten von Hochleistungs-LEDs zu senken. Dabei wird anstelle des Saphir- oder SiC-Substrats Silizium (Si) eingesetzt – das Material, das standardmäßig zur Herstellung der meisten Elektronikchips („ICs“) verwendet wird. Der wichtigste Vorteil dieses Verfahrens ist die problemlose Verfügbarkeit kostengünstiger Wafer. Darüber hinaus können stillgelegte 8-Zoll-Wafer-Fabs für die LED-Herstellung genutzt werden. In der Summe ermöglichen diese beiden Konzepte eine drastische Senkung der LED-Preise – die entsprechenden Vorbehalte auf Verbraucherseite würden damit entfallen.

Aufgrund von technischen Schwierigkeiten boten GaN-auf-Si-LEDs zunächst nur eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit, sodass sie für allgemeine Beleuchtungsanwendungen nicht attraktiv waren. Inzwischen haben jedoch einige Hersteller – allen voran Toshiba – eine neue Generation dieser LEDs mit deutlich verbesserter Leistung zu einem sehr wettbewerbsfähigen Preis eingeführt. Für viele Anwendungen steht somit eine echte Alternative zu herkömmlichen Komponenten zur Verfügung.

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung von Siliziumsubstrat-LEDs und stellt die auf dem Markt erhältlichen Produkte der neuesten Generation vor.

Kostensenkung für LEDs

Es hat viele Jahre der Forschungsarbeit und Millionen von Dollar an Entwicklungskosten gebraucht – doch heute sind moderne LEDs tatsächlich eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren und Halogenlampen, wenn man die Gesamtbetriebskosten zugrunde legt, die sich aus dem Anschaffungspreis, dem Energieverbrauch und der Lebensdauer des Produkts berechnen.

Ein aktueller Bericht¹ des Analyseunternehmens McKinsey & Company kommt zu dem Schluss, dass ab 2016 die höheren Anschaffungskosten für eine LED-Leuchte im Vergleich mit einer Kompaktleuchtstofflampe (CFL) durch die Amortisation (aufgrund der niedrigeren Betriebskosten und längeren Lebensdauer) nach 1,7 bis 3,9 Jahren ausgeglichen werden – abhängig davon, wie schnell der LED-Preis weiter fällt. Eine entsprechende Berechnung im Jahr 2011 ging noch von etwa 14 Jahren aus. (Abbildung 1)

Abbildung 1: Amortisationszeit für LED-Leuchte vs. CFL-Leuchte im Wohnbereich (dunkle Linie repräsentiert Basisszenario, hellere Linie repräsentiert schnelleren Preisrückgang für LEDs). (Mit Genehmigung von McKinsey & Company)

Derselbe Bericht kommt allerdings auch zu dem Schluss, dass der Marktanteil von LEDs in Beleuchtungsanwendungen im Jahr 2015 zwar auf etwa 45 Prozent ansteigen werde, „für LED-Beleuchtungsprodukte jedoch weiterhin ein hoher Aufpreis zu zahlen ist, und die höheren Anschaffungskosten sind für Entscheidungsträger ein deutliches Hemmnis, wenn eine Investition in allgemeine Beleuchtungsanwendungen erwogen wird“.

Die Zurückhaltung auf Käuferseite ist nicht ganz unverständlich, wenn man bedenkt, dass der Austausch einer LED-Leuchte wie z. B. des Philips-Modells PAR38, das einer 100-W-Glühlampe entspricht, 22 US-Dollar kostet. Die Kompaktleuchtstofflampe T2 Twister desselben Herstellers, ebenfalls ein 100-W-Äquivalent, liegt dagegen bei nur 12 US-Dollar, die Halogenleuchte EcoSmart sogar nur bei 6 US-Dollar.

Ein wichtiger Kostenfaktor bei LED-Lampen sind die LED-Chips selbst. Jede LED-Leuchte enthält üblicherweise ein Array mit sechs, acht oder zehn LED-Chips, die jeweils in einem komplizierten Wafer-Herstellungsverfahren aus seltenen Materialien gefertigt und anschließend in drei bis vier Prozessschritten aufwändig verpackt werden. Durch den Austausch der Materialien und Herstellungsverfahren durch günstigere Alternativen könnte der Anschaffungspreis für LEDs erheblich gesenkt werden – Voraussetzung für eine breitere Käuferakzeptanz.

Silizium – die Alternative

Die Revolution im Elektronikbereich wurde durch Silizium ermöglicht – ein stabiler, kostengünstiger, problemlos verfügbarer Halbleiter, der einfach in Kristallen gezüchtet werden kann, aus denen anschließend Wafer geschnitten werden. In CMOS-Prozessen werden dann aus jedem Wafer Tausende von ICs hergestellt. Zudem wurde kräftig in Mikrochip-Fabriken investiert, um Chips in großer Masse zu produzieren und damit die Kosten pro Stück auf wenige Cent zu drücken.

In jüngster Zeit sind die Chiphersteller zu einem effizienteren Wafer-Fertigungsprozess übergegangen, bei dem 12-Zoll-(300-m)-Wafer anstelle der bisherigen 8-Zoll-(200-mm)-Wafer als Ausgangsmaterial verwendet werden. Infolgedessen stehen überall auf der Welt 8-Zoll-Wafer in großer Menge zur Verfügung. Diese könnten theoretisch für die LED-Fertigung eingesetzt werden, wodurch der Preis für die Endprodukte erheblich sinken würde.

Die meisten aktuellen LEDs werden aus einer Kombination von GaN mit einem Saphirsubstrat gefertigt. GaN verfügt über eine Bandlücke, die die Emission von Photonen im sichtbaren Teil des Spektrums zulässt. Dünne GaN-Filme werden in einem als Epitaxie bezeichneten Prozess gezüchtet. Dabei werden die aktiven Regionen der LED aufgebaut, indem sukzessive Schichten auf das Substrat aufgebracht werden. Nachteilig ist hierbei eine Abweichung im Kristallgitterabstand (Abstand zwischen einzelnen Atomen in der Kristallstruktur) von GaN und dem Saphirsubstrat, wodurch mikroskopische Fehlerstellen in der aktiven Region entstehen. Diese Fehlerstellen, auch als Versetzungen bezeichnet, beeinträchtigen die Leuchtkraft und Lebensdauer der LED.

SiC verfügt über eine Kristallstruktur, die wesentlich genauer der von GaN entspricht als die von Saphir. Die Versetzungsdichte wird so reduziert, und die Lichtausbeute und Lebensdauer kann um mindestens eine, manchmal sogar um zwei Größenordnungen verbessert werden. (Siehe TechZone-Artikel „Material and Manufacturing Improvements Enhance LED Efficiency“.)

Saphir und SiC sind nicht nur kostspielig in der Fertigung, sondern lassen sich auch nur schwer zuverlässig auf Wafern mit einem Durchmesser von mehr als 4 Zoll (100 mm) einsetzen. 8-Zoll-Silizium-Wafer sind dagegen kostengünstiger und einfacher in der Fertigung – und ihre Verarbeitung ist kaum zeitaufwändiger im Vergleich mit 4-Zoll-Wafern. Die Fabriken können auf diese Weise ihre Produktion vervierfachen, da die Oberfläche von 8-Zoll-Wafern viermal größer ist als die von 4-Zoll-Wafern (siehe Abbildung 2), während gleichzeitig die Material- und Verarbeitungskosten deutlich sinken.

Abbildung 2: Vergleich von 2-, 4-, 6- und 8-Zoll-Wafern

Der Wechsel zu Silizium als LED-Substrat ist jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden. Problematisch ist vor allem die Tatsache, dass die Kristallstruktur von Silizium noch stärker von der von GaN abweicht, als es bei Saphir der Fall ist. Hinzu kommt, dass auch die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und GaN sehr unterschiedlich sind. Bedingt durch diese beiden Faktoren bauen sich bei der Fertigung starke Zugspannungen in den Wafern auf, die beim Abkühlen zu Mikrorissen führen. Rissige LEDs funktionieren schlecht bis gar nicht. Ein weiterer Nachteil: Silizium absorbiert einen Teil der austretenden Photonen, die zur Leuchtkraft der LED beitragen sollen. Daher betrug die Lichtausbeute der ersten GaN-auf-Si-LEDs nur ein Viertel bis ein Drittel der Lichtausbeute vergleichbarer Produkte, die auf Saphir aufbauten (siehe TechZone-Artikel „Will Silicon Substrates Push LED Lighting Into the Mainstream?“)

Einige wenige Vorreiterunternehmen haben ihre Entwicklungsprogramme dennoch bis heute fortgesetzt. Und während GaN-auf-Si-LEDs nach wie vor nicht die Leuchtkraft, Lichtausbeute und lange Lebensdauer von GaN-auf-Saphir- oder GaN-auf-SiC-LEDs erreichen, ist die schlechte Leistung der ersten Produkte heute kein Thema mehr – und sie können zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller LEDs hergestellt werden.

Silizium der zweiten Generation

Während die konventionellen LEDs ständig weiter verbessert wurden (und damit inzwischen weniger LEDs benötigt werden, um die Lichtausbeute einer Glühlampe oder Leuchtstofflampe zu erreichen), ist parallel ein neuer Markt für „Midrange“-LEDs entstanden. Midrange-Chips erreichen nicht die Spitzenwerte heutiger High-End-Produkte, bieten jedoch eine vernünftige Leistung (z. B. eine Leuchtkraft und Langlebigkeit, die mit den besten Chips von vor zwei oder drei Jahren vergleichbar ist) zu einem günstigen Preis (siehe TechZone-Artikel „Mid-Power LEDs Offer Less Expensive Alternative for Lighting Applications“).

Mit dem Wachstum des Mid-Range-Marktes eröffnen sich auch für GaN-auf-Si-Chips neue Absatzmöglichkeiten. Heutige Silizium-Substrat-LEDs können in puncto Leistung problemlos mit GaN-auf-Saphir- oder GaN-auf-SiC-Produkten aus dem Midrange-Bereich mithalten, während ihr Preis niedriger liegt.

Der Hersteller Toshiba, der ursprünglich in einem Joint Venture mit Bridgelux zusammenarbeitete, doch die Anteile seines Partners später übernahm, ist einer der Spitzenreiter in der breiteren Vermarktung von GaN-auf-Si-LEDs.

Aus naheliegenden Gründen hat Toshiba nur wenige öffentliche Erklärungen dazu abgegeben, wie die technischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit den Kristallgitter- und Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen GaN und Si gelöst wurden. Bridgelux enthüllte jedoch vor der Abfindung, dass das „Problem der Zugspannung durch Verwendung einer eigens entwickelten Pufferschicht (zwischen dem GaN und dem Silizium) gelöst wurde“.

Weitere Informationen zur Forschung von Toshiba sind in wissenschaftlichen Zeitschriften zu finden. In einem im Februar 2006 veröffentlichten Beispielartikel² beschreibt Toshiba, wie die Entstehung von Rissen, die üblicherweise bei der GaN-Epitaxie auf Silizium auftreten, durch Aufbringen von „kubischem SiC“ als Zwischenschicht verhindert werden konnte. Kubisches SiC hat eine Kristallgitterkonstante, die etwa auf der Hälfte zwischen GaN und Silizium liegt. So können Zugkräfte entlastet werden, die andernfalls Risse zwischen den aufeinanderliegenden Schichten von GaN und Silizium verursachen würden.

Wie die Forscher berichteten, war eine 1-µm-Schicht SiC auf einem herkömmlichen 8-Zoll-Wafer ausreichend, um das Reißen in der aktiven GaN-Schicht zu unterdrücken. Während geringfügig höhere Kosten anfallen als beim direkten Aufbringen von GaN auf „nacktes“ Silizium, ist der Prozess immer noch wesentlich günstiger als die Fertigung von Saphir- oder SiC-Wafern, da als Grundlage die kostengünstigeren Silizium-Verfahren genutzt werden.

Nach Angaben von Toshiba lassen sich mit dem unternehmenseigenen GaN-auf-Si-Prozess auch Einzel-LED-Chips mit großem Emissionsvolumen direkt aus dem Wafer herstellen, ohne dass ein herkömmlicher LED-Aufbauprozess durchlaufen werden muss (Abbildung 3). Die Vorteile dieser Technik sind höhere Kosteneinsparungen und Einzel-LEDs, die mit den zunehmend beliebteren Chip-on-Board-(COB)-Arrays konkurrieren könnten – Produkte, die mehrere konventionelle LEDs enthalten, die als einzelne Baugruppe vormontiert sind (siehe TechZone-Artikel „The Rise of Chip-on-Board LED Modules“).

Abbildung 3: Mit dem GaN-auf-Si-Prozess von Toshiba können LEDs mit Emissionsvolumen direkt aus einem Wafer geschnitten werden, ohne dass ein herkömmlicher Packaging-Prozess durchlaufen werden muss.³. (Mit Genehmigung von Toshiba)

Erhältliche Produkte

Toshiba veröffentlichte Ende 2012 seine erste Serie mit GaN-auf-Si-Produkten. Die 1-W-LED TL1F1 lieferte 112 lm (Lichtausbeute 112 lm/W bei einer Spannung von 2,9 V und Stromstärke von 350 mA) für eine Kaltweiß-Lampe (5000 K).

Zehn Monate später kündigte das Unternehmen mit der Serie TL1L3 eine überarbeitete Produktreihe an, die 135 lm bietet (135 lm/W, 2,85 V, 350 mA) – bis heute die neuesten Produkte, die in Serienfertigung auf dem Markt erhältlich sind. Anfang 2015 veröffentlichte das Unternehmen Testmengen der Produktfamilie TL1L4, die eine 60 Prozent höhere Leistung als die Lampen der früheren GaN-auf-Si-Generation bieten soll. An der Spitze der Serie steht eine 1-W-Kaltweiß-Lampe (5000 K, Farbwiedergabeindex (CRI) 70), die 160 lm liefert (160 lm/W, 2,8 V, 350 mA). Weitere Varianten sind im Temperaturspektrum von 2700 bis 6500 K erhältlich. Die Chips werden in einem Format von 3,5 mal 3,5 mm ausgeliefert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Produktfamilie TL1L4 der GaN-auf-Si-LEDs liefert 160 lm bei einem Format von 3,5 mal 3,5 mm.

Die Leistung der Produktfamilie TL1L4 entspricht der von konventionellen High-End-Produkten in Serienfertigung wie der XLamp XM-L2 von Cree (155 lm/W, 2,85 V, 700 mA) und der OSLON Square von OSRAM (163 lm/W, 3,05 V, 700 mA). Toshibas Produkte bieten tatsächlich eine höhere Leistung als die günstigen Midrange-Leuchten wie die Xlamp MX-3S von Cree (85 lm/W, 10,7 V, 115 mA) und die Luxeon 3535L von Philips Lumileds (121 lm/W, 3,05 V, 100 mA).

Um eine höhere Leuchtkraft (auf Kosten der Lichtausbeute) zu erreichen, können die TL1L4-Produkte mit einem Durchlassstrom von 1 A oder sogar 1,5 A betrieben werden, solange die Sperrschichttemperatur des Chips nicht über 150 °C steigt. Nach Angaben von Toshiba eignen sich die Produkte der Serie TL1L4 aufgrund ihrer Leistung für allgemeine Beleuchtungsanwendungen wie Einbauleuchten in Wohnbereichen, Straßenbeleuchtung oder Flutlichter.

Komplementäre Technologie

Ein Anteil von etwa 19 Prozent des gesamten Energieverbrauchs weltweit entfällt derzeit auf den Bereich Beleuchtung. Schätzungen zufolge ließe sich dieser Verbrauch durch den Masseneinsatz von LEDs aufgrund ihrer wesentlich höheren Lichtausbeute um drei Viertel senken. Während die Preise weiter fallen, könnte diese Entwicklung durch die Verfügbarkeit hoch leistungsfähiger und dabei relativ preisgünstiger GaN-auf-Si-LEDs wie den Toshiba-Produkten zusätzlich beschleunigt werden. Lichttechniker könnten SSL-Lösungen anbieten, bei denen die Vorbehalte auf Verbraucherseite aufgrund der hohen Anschaffungskosten entfallen.

Es ist unwahrscheinlich, dass diese alternative Technologie die aktuellen High-End-Lampen jemals in ihrer Leistung übertreffen wird. Doch als Ergänzung zu vorhandenen Technologien könnte das Verfahren – nach Klärung der Patentangelegenheiten – auch von anderen Unternehmen aufgegriffen werden. So könnte ein Wettbewerb entstehen, der die Preise weiter nach unten treiben und den Marktanteil der SSL-Lampen steigern würde.  

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenzen:

1. „Lighting the way:Perspectives on the Global Lighting Market – second edition“, McKinsey & Company, August 2012.
2. „Suppression of crack generation in GaN epitaxy on Si using cubic SiC as intermediate layers“, Komiyama, Jun et al, Applied Physics Letters Vol. 88 Issue 9, Februar 2006.
3. „Role of Substrate Choice on LED Packaging“, Steve Lester, Toshiba America Electronic Components, 2014.