Bridgelux – Erneut Durchbruch in GaN-on-Silicon-Technologie für Festkörperbeleuchtung

Bridgelux, führender Entwickler und Hersteller von LED-Beleuchtungstechnologien und -lösungen, konnte kürzlich seinen eigenen Branchenrekord für den höchsten Lumen-Wert pro Watt bei LEDs aus Galliumnitrid auf Silicium (GaN-on-Si) schlagen. Unter Nutzung der firmeneigenen Buffer-Layer-Technologie demonstriert das Unternehmen das Wachstum Riss-freier GaN-Schichten auf Acht-Zoll-Silicium-Wafern, ohne dass unter Raumtemperatur eine Wölbung (Bowing) entsteht. Damit erweitert das Unternehmen seine Führungsrolle in der Produktionsfähigkeit von GaN-LEDs auf Siliciumsubstrat und deren höherer Leistung.

Bridgelux erreichte ein LED-Leistungsniveau, das mit heutigen – mittels Saphir auf dem neuesten technologischen Stand produzierten LEDs – vergleichbar ist. LEDs mit kaltem Weiß erzeugten eine Helligkeit von 160 Lumen pro Watt bei einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 4350K. LEDs mit warmem Weiß, hergestellt aus GaN-on-Si-Chips, lieferten 125 Lumen pro Watt mit einer Farbtemperatur von 2940K und einem Farbwiedergabe-Index (CRI) von 80.

Herkömmliche LEDs werden mit Saphir- oder Siliciumcarbid-Substraten als Ausgangsmaterial gefertigt. Beide sind teurer als Silicium und somit waren es die Produktionskosten, die eine Ausbreitung von LED-Beleuchtung in Privathäusern und Geschäftsgebäuden verhinderten. Die Züchtung von GaN auf größeren, preiswerten Silicium-Wafern, die mit moderner Halbleiterproduktion kompatibel ist, kann gegenüber derzeitigen Ansätzen um bis zu 75 Prozent kostengünstiger ausfallen. Der von Bridgelux erzielte technologische Fortschritt hat das Potenzial, die Herstellungskosten für LEDs deutlich zu senken und LEDs gegenüber herkömmlichen Weißlichttechnologien wettbewerbsfähig zu machen.

„Die heute bekannt gegebenen Leistungsniveaus sind die höchsten Lumen-pro-Watt-Werte, die bislang zu GaN-on-Si veröffentlicht wurden, und können mit den besten kommerziellen LEDs mithalten, die auf Saphir oder Siliciumcarbid (SIC) gezüchtet wurden“, stellt Dr. Steve Lester, Chief Technology Officer von Bridgelux, fest. „Diese Erfolge sind ein direktes Resultat unserer Investitionen in den Aufbau eines erstklassigen Teams an Materialwissenschaftlern und Chip-Design-Ingenieuren bei Bridgelux, die sich hauptsächlich auf die Weiterentwicklung branchenführender Epitaxial-Prozesstechnologie konzentrieren. Wir freuen uns sehr über unseren Fortschritt in diesem Bereich und werden unsere GaN-on-Si-Verfahren mit Hochdruck vorantreiben, um die Migration kommerzieller LED-Produktion von Saphir- auf Siliciumsubstrate zu beschleunigen.“

Der thermische Ausbreitungskoeffizient ist bei GaN beträchtlich größer als bei Silicium. Diese Unverträglichkeit kann Risse im epitaktischen Film oder ein Bowing der Wafer zur Folge haben, die entweder während des epitaktischen Wachstums oder bei Raumtemperatur entstehen. Das Bridgelux-eigene Buffer-Layer-Verfahren erzeugt Riss-freie Wafer, die bei Raumtemperatur faktisch flach sind.

Eingefasste blaue 1,5mm-LEDs erreichen eine Emissionseffizienz von 591 Milliwatt und bei 350 Milliampere einen Steckdosen-Wirkungsgrad von bis zu 59 Prozent, was alle bislang veröffentlichten Werte übersteigt. Die LEDs haben sehr niedrige Durchlassspannung – 2,85 Volt bei 350 Milliampere – und eignen sich ideal für den Einsatz bei hoher Stromdichte. Bei einem Betriebsstrom von einem Ampere liefern die LEDs 1,52 Watt an blauer Lichtstärke mit einer Durchlassspannung von 3,21 Volt und erreichen einen Steckdosen-Wirkungsgrad von 47 Prozent. Eine Wellenlängen-Gleichmäßigkeit von Sigma 6,8 Nanometern (nm) wurde für einen Acht-Zoll-Wafer mit mittlerer Wellenlänge von 455nm demonstriert.

„Diesen technologischen Durchbruch erzielte Bridgelux unmittelbar durch seine kontinuierlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung, die ausschließlich auf den Bedarf des Markts für Festkörperbeleuchtung gerichtet sind“, erläutert Bill Watkins, CEO von Bridgelux. „Diese Innovation ist das entscheidende Element für einen Umbruch in der Branche. Sie eröffnet eine drastische Senkung der notwendigen Startinvestitionen für Festkörperbeleuchtung und steigert ihre Marktakzeptanz zugleich erheblich. Mit seinem Asset-Light-Geschäftsmodell ist Bridgelux bestens aufgestellt, von dem Wechsel auf Siliciumsubstrate zu profitieren. Mit unserer Forschung und Entwicklung sowie unserem intellektuellen Eigentum im Bereich der LED-Epitaxie können wir Partnerschaften mit etablierten Halbleiterherstellern schließen. Die Nutzung vorhandener Halbleiterfabrikationen im Rahmen von Partnerschaften mit Halbleiterherstellern setzt das Potenzial frei, die Produktionskosten, die Gewinnspannen und Investitionen positiv zu beeinflussen.“