I miglioramenti ai LED su substrato di silicio affrontano gli elevati costi dell'illuminazione allo stato solido

La tecnologia dominante dei LED ad alta luminosità oggi è il nitruro di gallio (GaN) su substrati di zaffiro o di carburo di silicio (SiC). Questi materiali sono diffusi perché i LED risultanti sono luminosi, efficienti e duraturi. Tuttavia, i chip sono difficili da fabbricare e assemblare in dispositivi utilizzabili, moltiplicando il costo dei prodotti finiti che li usano come motori leggeri. Anche se i prezzi sono crollati negli ultimi anni, l'illuminazione a LED è ancora notevolmente più costosi delle alternative tradizionali. Questa spesa iniziale è citata come fattore importante che rallenta l'accettazione dell'illuminazione allo stato solido (SSL).

Un gruppo pionieristico di produttori si è impegnato seriamente per ridurre i costi dei LED ad alta potenza sostituendo il substrato di zaffiro o di SiC con il silicio (Si), il materiale comunemente usato per produrre la maggior parte dei chip elettronici ("CI"). Il vantaggio principale è una fornitura di wafer a bassissimo costo e l'opportunità di usare gli impianti già ammortizzati per i wafer da 200 mm per produrre i LED. La combinazione di questi concetti porta a una drastica riduzione dei prezzi dei LED, superando così le obiezioni avanzate dai clienti.

Inizialmente, le sfide tecniche limitavano le prestazioni dei LED GaN su Si, rendendoli poco attraenti per l'illuminazione corrente. Oggi, alcuni produttori fra cui Toshiba, hanno introdotto una nuova generazione di questi LED dalle prestazioni decisamente migliorate e con un prezzo altamente competitivo che in numerose applicazioni ne fa un'alternativa praticabile rispetto ai dispositivi tradizionali.

In questo articolo viene illustrato lo sviluppo dei LED al substrato di silicio e viene descritta l'ultima generazione di dispositivi commerciali.

Abbattimento dei costi dei LED

Anche se la ricerca e sviluppo ha richiesto un impegno di diversi anni e milioni di dollari, per l'illuminazione corrente i moderni LED rappresentano un'alternativa economicamente valida a sorgenti luminose tradizionali come le lampadine a incandescenza, i tubi fluorescenti e le lampade alogene se per determinare il "costo di proprietà" si considerano fattori quali il prezzo di acquisto iniziale, il consumo energetico e la durata.

Un recente rapporto¹ redatto dagli analisti McKinsey & Company è giunto alla conclusione che entro il 2016 (a seconda della velocità con cui il prezzo dei LED continuerà a scendere) l'ammortamento di un sistema di illuminazione a LED (considerati i minori costi di esercizio e la maggiore durata) compenserà il prezzo iniziale di acquisto superiore rispetto a una lampada fluorescente compatta (CFL) entro un tempo compreso tra 1,7 e 3,9 anni. Lo stesso calcolo fatto nel 2011 aveva dato come risultato circa 14 anni. (Figura 1)

Figura 1: Tempo di ammortamento delle lampade LED rispetto a quelle CFL nel segmento residenziale (la linea scura rappresenta il caso base, quella più chiara rappresenta l'erosione più veloce del prezzo dei LED). (Per gentile concessione di McKinsey & Company)

Purtroppo, lo stesso rapporto ha anche ammesso che, malgrado nel 2015 la quota di mercato dei LED nelle applicazioni di illuminazione sia arrivata a circa il 45 percento, "il prezzo dei prodotti di illuminazione LED continua a rimanere alto e quello di acquisto iniziale rappresenta una barriera significativa quando i responsabili delle decisioni devono valutare l'investimento iniziale in applicazioni di illuminazione generale".

Questa reticenza forse non sorprende se si considera che una lampada LED sostitutiva come la PAR38 della Philips (equivalente a una a incandescenza da 100 W) viene venduta a $22 rispetto ai $12 della CFL T2 Twister della stessa società e ai $6 per una lampada alogena EcoSmart, entrambe equivalenti a 100 W.

Una parte importante del costo delle lampade LED è determinata dai chip LED. Ogni lampada LED comprende in genere un array di sei, otto o dieci chip LED, ognuno dei quali viene fabbricato a partire da materiali esotici in un complesso processo di fabbricazione dei wafer, per poi essere inserito in un contenitore con un'operazione di assemblaggio costosa in tre o quattro fasi. Sia la sostituzione del materiale che la riduzione dei costi di produzione con alternative più economiche abbatterebbe drasticamente il prezzo di acquisto iniziale dei LED, incoraggiando una più rapida adozione.

L'alternativa del silicio

La rivoluzione elettronica è stata costruita sul silicio: un semiconduttore stabile, economico e abbondante che può essere facilmente aggregato in cristalli, affettato in wafer e sottoposto a processi CMOS per trasformare ogni wafer in migliaia di CI. Inoltre, è stato fatto un ingente investimento per la produzione in serie di questi chip, abbattendo il costo unitario a pochi centesimi.

Di recente, i produttori di chip sono passati a un processo di fabbricazione di wafer più efficiente che come materia prima usa wafer di 300 mm, in sostituzione dei vecchi slice da 200 mm. Ne è risultata una sovracapacità mondiale di 200 mm per i quali alcuni hanno suggerito la conversione alla produzione di LED, con conseguente drastico taglio del prezzo dei prodotti finali.

La maggior parte dei LED oggi vengono costruiti con una combinazione di GaN, che ha un bandgap idoneo per l'emissione di fotoni nella parte visibile dello spettro, su un substrato di zaffiro. Film sottili di GaN vengono prodotti tramite un processo noto come epitassia, che forma le regioni attive del LED tramite la deposizione di strati successivi sul substrato. Uno degli inconvenienti è la discrepanza tra la spaziatura del reticolo cristallino (la distanza unitaria tra i singoli atomi nella struttura dei cristalli) del GaN e il substrato di zaffiro che dà origine a difetti microscopici nella regione attiva. Questi difetti, che sono noti anche come dislocazioni di tipo threading, compromettono sia la luminosità dei LED che la loro durata.

Il SiC ha una struttura cristallina molto più simile al GaN rispetto allo zaffiro, il che riduce la densità dei difetti e migliora l'efficienza luminosa e la longevità di almeno uno e talvolta due ordini di grandezza. (Vedere l'articolo TechZone "Miglioramenti nei materiali e nella fabbricazione per aumentare l'efficienza dei LED".)

Lo zaffiro e il SiC oltre ad avere costi di produzione elevati sono anche difficili da fabbricare in modo affidabile su wafer più larghi di 100 mm di diametro. I wafer al silicio da 200 mm sono invece molto meno costosi e più facili da lavorare e richiedono tempi di produzione solo leggermente superiori a quelli dei wafer da 100 mm. Alla fine, quindi, gli stabilimenti possono quadruplicare la produzione (l'area superficiale di un wafer da 200 mm è quattro volte quella di uno da 100 mm (Figura 2) e i costi di materiale e lavorazione si riducono drasticamente.

Figura 2: Wafer da 50, 100, 150 e 200 mm a confronto.

Il passaggio al silicio come substrato per i LED presenta però delle sfide tecniche formidabili. La principale è rappresentata dal fatto che la struttura cristallina del silicio ha una discrepanza col GaN ancora maggiore dello zaffiro. A peggiorare ulteriormente le cose, il silicio ha un coefficiente molto diverso di espansione termica rispetto al GaN. Questi due fattori fanno sì che durante il processo di fabbricazione nei wafer vengano incorporate gravi sollecitazioni di trazione che causano la formazione di microfratture quando il wafer si raffredda. I LED fratturati o funzionano male o non funzionano affatto. Inoltre, purtroppo il silicio è un ottimo assorbitore dei fotoni che dovrebbero essere emessi e contribuire alla luminosità del LED. Di conseguenza, l'estrazione della luce dei primi LED GaN su Si era da un quarto a un terzo rispetto a quella di dispositivi comparabili costruiti con lo zaffiro (vedere l'articolo TechZone "I substrati di silicio saranno la norma per l'illuminazione a LED?")

Alcune aziende pionieristiche hanno perseverato nei propri programmi di sviluppo e mentre i LED GaN su Si continuano a non avere la luminosità, l'efficienza luminosa e la durata di quelli GaN su zaffiro o SiC, i dispositivi attualmente allo studio nei laboratori non presentano le insoddisfacenti prestazioni dei primi e possono essere realizzati a una frazione del costo dei LED tradizionali.

Silicio di seconda generazione

Il miglioramento costante dei LED tradizionali (e la contemporanea riduzione del numero di LED richiesti per eguagliare le prestazioni di una singola lampada a incandescenza o fluorescente) ha portato alla nascita di un nuovo mercato per i LED di "fascia media". I chip di fascia media non possono arrivare alle stesse prestazioni dei dispositivi odierni di fascia alta, ma offrono dei risultati ragionevoli (la loro luminosità e longevità, ad esempio, sono equivalenti al chip migliore di due o tre anni fa) a un prezzo contenuto (vedere l'articolo TechZone "I LED a media potenza offrono un'alternativa più economica per le applicazioni di illuminotecnica").

La crescita del mercato di fascia media ha dischiuso un'opportunità per i chip GaN su Si. Le prestazioni dei LED su substrato di silicio prodotti oggi possono facilmente raggiungere quelle dei LED GaN su zaffiro o su SiC di fascia media ma a un prezzo più basso di questi ultimi.

Toshiba (che originariamente aveva stretto una joint venture con Bridgelux ma successivamente ha rilevato la quota dell'iniziativa detenuta dal partner) è uno dei principali fornitori di LED GaN su Si.

Toshiba è comprensibilmente reticente a svelare come abbia risolto le difficoltà tecniche della differenza termica e di reticolo tra GaN e Si e ha rilasciato poche dichiarazioni ufficiali, ma prima di essere rilevata Bridgelux aveva rivelato che "il problema della sollecitazione di trazione era stato risolto utilizzando uno strato cuscinetto proprietario (tra GaN e silicio)".

Maggiori informazioni sulla ricerca di Toshiba sono disponibili nei documenti scientifici. Un esempio² pubblicato nel febbraio 2006 descrive come i ricercatori Toshiba abbiano risolto il problema della formazione di fratture che affligge normalmente l'epitassia GaN su silicio usando "SiC cubico" per gli strati intermedi. Il SiC cubico ha un reticolo costante che è circa a metà tra quello del GaN e quello del silicio e che contribuisce a ridurre le sollecitazioni che diversamente si accumulerebbero causando la formazione di fratture tra gli strati contigui di GaN e silicio.

I ricercatori hanno riferito che per evitare la formazione di fessure nello strato di GaN attivo era sufficiente applicare uno strato di 1 µm di SiC sopra un wafer al silicio tradizionale di 200 mm. Anche se leggermente più costoso della deposizione di GaN su silicio "nudo", il processo è comunque molto meno dispendioso della fabbricazione di wafer di zaffiro o SiC perché continua a essere basato su procedimenti economici di produzione del silicio.

Toshiba afferma inoltre che il suo processo GaN su Si si presta alla produzione di massa direttamente dal wafer, di LED a chip singolo tradizionale "volume-emitting" senza dover passare per il tipico processo di assemblaggio dei LED (Figura 3). I vantaggi di questa tecnica sono maggiori risparmi sui costi e LED singoli che potrebbero competere con i sempre più diffusi array COB (Chip on Board) – prodotti che comprendono più LED convenzionali preassemblati in una singola unità (vedere l'articolo TechZone "L'ascesa dei moduli LED COB (chip on board)").

Figura 3: Il processo GaN su Si di Toshiba permette di tagliare direttamente da un wafer LED volume-emitting in package senza dover passare per un processo di packaging tradizionale³. (Per gentile concessione di Toshiba)

Prodotti disponibili

Toshiba ha lanciato i primi prodotti GaN su Si a fine 2012. Il LED TL1F1 1 W erogava 112 lm (efficienza luminosa di 112 lm/W, a una tensione di 2,9 V e con una corrente di 350 mA) per un dispositivo bianco freddo (5.000 K).

Dieci mesi dopo, la società ha annunciato una serie aggiornata (la famiglia TL1L3) - l'ultimo prodotto commerciale disponibile in grandi quantità - in grado di produrre 135 lm (135 lm/W, 2,85 V, 350 mA). All'inizio del 2015, la società ha rilasciato infine volumi campione della famiglia TL1L4 che, a suo avviso, rappresenta un balzo prestazionale del 60% rispetto alla generazione precedente di dispositivi GaN su Si. Il prodotto di fascia più alta è un dispositivo da 1 W, bianco freddo (5.000 K, indice di resa cromatica (CRI) 70) che produce 160 lm (160 lm/W, 2,8 V, 350 mA). Nell'intervallo di temperatura tra 2.700 e 6.500 K sono disponibili altre varianti. I chip vengono forniti in un contenitore di 3,5 x 3,5 mm (Figura 4).

Figura 4: La famiglia TL1L4 di LED GaN su Si promette 160 lm da un contenitore di 3,5 x 3,5 mm.

Le prestazioni della famiglia TL1L4 sono uguali a quelle di dispositivi convenzionali di fascia alta prodotti in serie, come XLamp XM-L2 (155 lm/W, 2,85 V, 700 mA) di Cree e OSLON Square (163 lm/W, 3,05 V, 700 mA) di OSRAM. I prodotti Toshiba offrono di fatto prestazioni migliori di dispositivi di fascia media dal prezzo competitivo come Xlamp MX-3S (85 lm/W, 10,7 V, 115 mA) di Cree e Luxeon 3535L (121 lm/W, 3,05 V, 100 mA) di Philips Lumileds.

Per una maggiore luminosità (a scapito di una minore efficienza luminosa) i prodotti TL1L4 possono operare con una corrente diretta di 1 A o persino di 1,5 A a condizione che la temperatura di giunzione del chip venga mantenuta al di sotto di 150 °C. Toshiba spiega che il livello di prestazioni della famiglia TL1L4 la rende idonea per applicazioni di illuminazione correnti come faretti da incasso domestici, illuminazione stradale e riflettori.

Tecnologia complementare

L'illuminazione attualmente assorbe il 19% dell'energia mondiale. Si stima che l'adozione di massa dei LED abbatterebbe di 3/4 tale percentuale, in quanto hanno un'efficienza luminosa molto superiore. I prezzi continuerebbero ovviamente a scendere e la disponibilità di LED GaN su Si dalle prestazioni elevate ma dai costi relativamente bassi come quelli di Toshiba promette di accelerare il cambiamento oltre a permettere ai tecnici dell'illuminotecnica di offrire soluzioni SSL che riescono a superare le obiezioni dei consumatori per i prezzi di acquisto iniziale alti.

Difficilmente questa tecnologia alternativa raggiungerà prestazioni superiori a quelle dei dispositivi attuali di fascia alta ma rappresenta un complemento alla tecnologia esistente che, a parte i problemi di brevetto, potrebbe essere accolta da altre società, innescando una concorrenza che spingerebbe i prezzi ancora più verso il basso e aumenterebbe la percentuale del mercato dell'illuminazione detenuta dall'SSL.  

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimenti:

1. "Lighting the way: Perspectives on the Global Lighting Market – second edition", McKinsey & Company, agosto 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 Numero 9, febbraio 2006.
3. "Role of Substrate Choice on LED Packaging", Steve Lester, Toshiba America Electronic Components, 2014.