Dank GaN-auf-Si-Prozess fertigt Toshiba die LEDs der Leteras-Reihe deutlich günstiger als mit klassischem Saphirsubstrat.

Dank GaN-auf-Si-Prozess fertigt Toshiba die LEDs der Leteras-Reihe deutlich günstiger als mit klassischem Saphirsubstrat.Toshiba

Energie sparen, Wartungskosten senken und die Leistungsfähigkeit steigern: Diese Wünsche tragen zusammen mit internationalen Umweltgesetzgebung dazu bei, dass der Markt für LED-Beleuchtung weiter wächst. Laut Lux Research soll er im Jahr 2020 ein Volumen von 80 Milliarden US-Dollar erreichen. Allgemeinbeleuchtungen wie LED-Lampen sowie Innen- und Außenleuchten erfordern heute weiße LEDs in den Farbtönen warm-weiß für Wohnbereiche bis kalt-weiß für Nutzanwendungen wie Hochregallampen oder Straßenbeleuchtungen. Weiße LEDs finden sich auch in immer mehr Fahrzeugen, darunter in den Scheinwerfern und für das Tagfahrlicht, sowie in Display-Hinterleuchtungen für Handys und Flachbildfernseher.

Auf einen Blick

Die Effizienz steigt in der Halbleiterfertigung typischerweise mit der Wafergröße und den Stückzahlen. Beides verbessert sich deutlich, wenn man auf Standardprozesse setzt. Bei LEDs war das bisher nicht möglich, da Saphir statt Silizium als Träger dient. Mit seinem GaN-auf-Si-Prozess hat Toshiba diese Hürde überwunden und stellt seine leistungsfähigen TL1F2-LEDs bereits heute auf 200 mm großen Siliziumwafern her.

Kosten sind ein entscheidender Faktor bei der Integration von LEDs und der Wettbewerbsfähigkeit der Produkte. Dies gilt vor allem für den Wohnbereich und andere verbraucherorientierte Branchen. LED-Lampen und Leuchten mit LEDs, die im Vergleich zu Glühbirnen oder Leuchtstofflampen relativ preisgünstig sind, können ein überzeugendes Verkaufsargument liefern. Kosteneinsparungen sind dabei in vielen Bereichen möglich: von der Versorgungskette und dem Gehäuse über technische Faktoren wie der Steuerelektronik bis hin zur LED selbst. Preiswerte LEDs lassen sich aus kostengünstigeren Materialien und Prozessen herstellen. Dabei verbessern die Hersteller inzwischen auch den pro LED erzeugten Lichtstrom (Lumen) und das Verhältnis von Lichtstrom zu Energieverbrauch (Lumen/Watt).

Aufbau einer LED

Weiße LEDs werden in einem Galliumnitrid-(GaN-)Epitaxieprozess auf einem Substrat gefertigt. Gefragt sind Substrateigenschaften wie hohe Härte, hoher Schmelzpunkt und hohe Beständigkeit gegen Rissbildung und Erosion, um den LED-Fertigungsprozess zu überstehen. Der LED-Chip strahlt überwiegend Licht mit blauer Wellenlänge ab, das eine Phosphorschicht dann in weißes Licht mit der gewünschten Farbtemperatur umwandelt. Die Farbtemperatur liegt für kalt-weiße LEDs in Industrie- und Straßenbeleuchtungen zwischen 4000 und 6500 K oder zwischen 2700 und 3500 K für warm-weiße LEDs in Wohnraumleuchten.

Bild 1: Da der LED-Chip überwiegend blaues Licht abstrahlt, wandelt eine zusätzliche Phosphorbeschichtung die Wellenlänge in den gewünschten Weißlicht-Farbton.

Bild 1: Da der LED-Chip überwiegend blaues Licht abstrahlt, wandelt eine zusätzliche Phosphorbeschichtung die Wellenlänge in den gewünschten Weißlicht-Farbton.Toshiba

Je nach Gehäuse wird der Chip auf ein wärmeleitendes Substrat aufgebracht und mit Phosphor beschichtet. Ein Leadframe stellt die Anoden- und Kathodenanschlüsse bereit. Hinzu kommen ein Reflektor und eine durchsichtige Linse aus Polycarbonat (Bild 1). Alternativ kann der Die auch innerhalb der Reflektorkammer eines PLCC-Gehäuses gebondet und in ein Epoxy- oder Silikonmaterial gekapselt werden.

Traditionell dient ein Saphir-Wafer als Substrat für die Fertigung der LED-Chips. GaN-auf-Saphir-LEDs werden normalerweise auf 2- oder 4-Zoll-Wafern gefertigt. Da die Prozesstechnologie inzwischen einige technische Hürden überwunden hat, lassen sich LEDs inzwischen auch auf 6-Zoll-Saphir-Wafern fertigen – mit ausreichender Qualität und Ausbeute. Größere Wafer bedeuten mehr Chips pro Wafer, was einen Skaleneffekt und eine bessere Flächenausnutzung bewirkt: Die Randverluste und ungenutzten Flächen zwischen den einzelnen Chips sinken. Allerdings treiben die Ausgaben für die neue Prozessausrüstung zum Ätzen und Testen der 6-Zoll-Wafer die Kosten zunächst nach oben, bevor der Hersteller Einsparungen erzielen kann.

Bild 2: Größere Wafer senken die Kosten pro Chip. Am günstigsten sind 8-Zoll-Siliziumwafer mit bewährten Fertigungsverfahren und Ausrüstungen.

Bild 2: Größere Wafer senken die Kosten pro Chip. Am günstigsten sind 8-Zoll-Siliziumwafer mit bewährten Fertigungsverfahren und Ausrüstungen.Toshiba

Neben Saphir gibt es einige Substrat-Technologien mit besseren Eigenschaften: GaN-auf-GaN und GaN-auf-SiC (Siliziumcarbid) weisen keine oder nur geringe Abweichungen zwischen den Substratmaterialen und der aktiven LED-Struktur auf, womit sich die Effizienz erhöht. Reine Silizium-Wafer können wiederum für erhebliche Kosteneinsparungen sorgen. Silizium verursacht nur ein Achtel der Kosten eines Saphir-Substrats (laut Lux Research), und Hersteller können bewährte Halbleiterfertigungsverfahren und Ausrüstung für Wafer bis zu 8 Zoll (200 mm) einsetzen. 8-Zoll-Siliziumwafer sind gut verfügbar und bewährte, kostengünstige Gehäusetechniken sind ebenfalls etabliert. Bild 2 fasst den derzeitigen Status der GaN-LED-Fertigung auf Saphir- und Siliziumwafern in verschiedenen Größen zusammen.

Forschungsinstitute haben Prognosen über die Auswirkungen der GaN-auf-Si-LED-Technologie veröffentlicht: Im Dezember 2013 berichtete IMS Research, dass der Markt für GaN-auf-Si-Wafer jährlich um 69 % wachsen soll und im Jahr 2020 einen Marktanteil von 40 % einnimmt. IMS verglich die Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Saphirblöcke mit der hohen Verfügbarkeit kostengünstiger Siliziumwafer in 200 mm und größer. Hinzu kommen die bereits vorhandenen Maschinen und Prozesse für diese Wafer. Zusammen sorge dies für einen Anstieg des GaN-auf-Si-Marktanteils.

GaN-auf-Si-Roadmaps

Toshiba hat zusammen mit dem Lichttechnikspezialisten Bridgelux die Herstellung von GaN-LED-Chips auf 200-mm-Siliziumwafern realisiert. Dazu hat Toshiba seine eigene Siliziumprozess- und Fertigungstechnologien mit der Kristallwachstums- und LED-Chip-Technologien von Bridgelux kombiniert. Nach einer erfolgreichen Demonstration hochleistungsfähiger GaN-auf-Si-LED-Chips hat Toshiba im Jahr 2012 mit der Serienfertigung seiner Leteras-Familie weißer LEDs begonnen, die mit diesem Prozess hergestellt werden.

Die erste Generation (TL1F1-Serie) wurde im Dezember 2012 im 6450-Gehäuse vorgestellt (6,4 mm x 5,0 mm). Sie erreichte eine Effizienz von bis zu 110 lm/W und einen Lichtstrom von 112 bis 85 lm bei einer korrelierten Farbtemperatur (CCT; Correlated Color Temperature) von 5000 bis 3000 K. Diese Werte ermöglichten den Einsatz der TL1F1-Serie in Lampen, Deckenleuchten, Straßenbeleuchtungen und Flutlichtern.

Bild 3: Mit der nächsten Generation weißer GaN-auf-Silizium-LEDs erreicht Toshiba eine Effizienz von 135 lm/W und hohe Color-Rendering-Index-Werte.

Bild 3: Mit der nächsten Generation weißer GaN-auf-Silizium-LEDs erreicht Toshiba eine Effizienz von 135 lm/W und hohe Color-Rendering-Index-Werte.Toshiba

Die nächste Generation

Die zweite Generation (TL1F2-Serie; Bild 3) befindet sich seit November 2013 in der Serienfertigung und erreicht eine höhere Effizienz von bis zu 135 lm/W. Die Verbesserungen erreichte Toshiba durch Optimierungen am Gehäuse und durch eine höhere optische Ausgangsleistung der LED-Chips. Der Lichtstrom einer 1 W starken TL1F2-LED erreicht je nach Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex (CRI; Color Rendering Index) 104 bis 135 lm. Die LEDs sind im Farbtemperaturbereich von 2700 bis 6500 K mit CRI-Werten von mindestens 80 oder 70 erhältlich.

Bild 4: Übersicht über die zweite Generation weißer GaN-auf-Si-LEDs von Toshiba. Alle Werte beziehen sich auf einen festgelegten Strom und auf 25 °C.

Bild 4: Übersicht über die zweite Generation weißer GaN-auf-Si-LEDs von Toshiba. Alle Werte beziehen sich auf einen festgelegten Strom und auf 25 °C.Toshiba

Angesteuert werden die TL1F2-LEDs typischerweise mit 350 mA bei einer niedrigen Durchlassspannung UF von 2,85 V, womit sich der Gesamtstromverbrauch verringert. Sie sind im 6450-Standardgehäuse mit den Abmessungen 6,4 mm x 5,0 mm x 1,35 mm verfügbar und eignen sich mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +100 °C sowohl für Innen- als auch Außenbeleuchtungen. Bild 4 zeigt die derzeit erhältlichen weißen LEDs der zweiten Generation.

Zukunft für GaN-auf-Si

Die erfolgreiche Markteinführung von GaN-auf-Silizium-LEDs ermöglicht weitere Fortschritte. Prozesse und Ausrüstungen für Wafergrößen über 200 mm sind bereits vorhanden, was weitere Kostensenkungen in Aussicht stellt. Auch lassen sich zusätzliche Funktionen wie LED-Ansteuerungen und Treiber-ICs im gleichen Gehäuse unterbringen, um leistungsfähigere und zuverlässigere LED-Leuchten zu ermöglichen.