Los ledes mejorados de sustrato de silicio reducen los costos altos de la iluminación de estado sólido

La tecnología dominante de los LED de alto brillo actuales se basa en el nitruro de galio (GaN) sobre sustratos de zafiro o carburo de silicio (SiC). Estos materiales son populares porque los LED resultantes son brillantes, eficientes y de larga duración. Sin embargo, los chips son difíciles de fabricar y ensamblar en dispositivos utilizables, lo que multiplica el costo de los productos finales que los utilizan como motores de luz. Si bien los precios se desplomaron en los últimos años, la iluminación LED sigue siendo considerablemente más cara que las alternativas tradicionales. Este gasto inicial se menciona como un factor importante que retrasa la aceptación de la iluminación de estado sólido (SSL).

Un grupo pionero de fabricantes trabajó duro para reducir el costo de los LED de alta potencia al sustituir el sustrato de zafiro o carburo de silicio (SiC) por silicio (Si), el material utilizado habitualmente para fabricar la mayoría de los chips electrónicos (“IC”). La principal ventaja es un suministro de obleas de muy bajo costo y la oportunidad de utilizar fabricantes de obleas de 8 pulgadas a un costo amortizado para la fabricación de LED. Combinados, estos conceptos permiten una drástica reducción en los precios de los LED y esto permite contrarrestar las objeciones de los consumidores.

Inicialmente, los desafíos técnicos limitaban el rendimiento de los LED de tecnología GaN-on-Si, por lo que resultaban poco atractivos para la iluminación estándar. Actualmente, algunos fabricantes, en particular Toshiba, han introducido una nueva generación de estos LED con mucho mejor rendimiento y a un precio muy competitivo, lo que los convierte en una alternativa viable a los dispositivos convencionales en muchas aplicaciones.

Este artículo repasa el desarrollo de los LED de sustrato de silicio y describe la última generación de dispositivos comerciales.

Bajar los precios de los LED

A pesar de que su investigación y desarrollo tardó muchos años y costó millones de dólares, los LED son una alternativa de bajo costo a las fuentes de iluminación convencionales, como los focos incandescentes, los tubos fluorescentes y las lámparas halógenas para incorporar iluminación convencional cuando factores como precio de compra inicial, consumo de energía y vida útil se tienen en cuenta para determinar el “costo de propiedad”.

Un informe reciente¹ de los analistas McKinsey & Company concluyó que para el año 2016 (dependiendo de qué tan rápido siga bajando el precio de los LED) la rentabilidad de un accesorio LED (debido a menores costos de funcionamiento y mayor vida útil) compensará el mayor precio de compra inicial en comparación con una lámpara fluorescente compacta (CFL) entre 1.7 y 3.9 años. El cálculo correspondiente en 2011 arrojó una cifra aproximada de 14 años. (Figura 1)

Figura 1: tiempo de rentabilidad de un foco LED vs. un foco CFL en el segmento residencial (la línea oscura representa el caso base, la línea más clara representa la erosión de precios LED más rápida). (Cortesía de McKinsey & Company)

Lamentablemente, en el mismo informe se concluye que, a pesar de que la participación de mercado de los LED en aplicaciones de iluminación asciende a aproximadamente un 45 por ciento en 2015, “el sobreprecio en productos de iluminación LED sigue siendo alto y el precio de compra inicial representa una barrera importante para tomar una decisión al momento de realizar una inversión inicial en aplicaciones de iluminación general”.

Esta reticencia no debería resultar sorprendente si se considera que una lámpara de reemplazo LED como el foco LED PAR38 de Philips equivalente a100 W (incandescente) se vende a $22 comparado con el foco CFL T2 Twister equivalente a 100W de $12 y la lámpara halógena EcoSmart equivalente a 100 W de $6 de la misma empresa.

Un elemento clave del costo de los focos LED es el mismo chip del LED. Cada foco LED incluye por lo general una matriz de seis, ocho o diez chips de LED, cada uno de los cuales está fabricado con materiales especiales siguiendo un complejo proceso de fabricación de obleas y se ensambla mediante una costosa operación de ensamblaje de tres o cuatro pasos. Sustituir los costos de material y fabricación por alternativas más baratas reduciría notablemente el precio de compra inicial de los LED, lo que impulsaría una rápida adopción.

La alternativa de silicio

La base de la revolución de la electrónica es el silicio; un semiconductor estable, barato y abundante que se cultiva fácilmente en cristales, se corta en obleas y está sujeto a los procesos CMOS para convertir cada oblea en miles de CI. Además, se ha realizado una enorme inversión en las fábricas para producir en masa estos chips, lo que reduce el costo por unidad a solo centavos.

Recientemente, los fabricantes de chips adoptaron un proceso de fabricación de obleas más eficiente que utiliza obleas de 12 pulgadas (300 mm) como materia prima, en sustitución de los antiguos cortes de 8 pulgadas (200 mm). Como resultado, hay un exceso de capacidad de 8 pulgadas en todo el mundo que, según algunos sugieren, podría adaptarse para la producción de LED, lo que reduciría notablemente el precio de los productos finales.

La mayoría de los LED contemporáneos se construyen a partir de una combinación de nitruro de galio (GaN), que tiene un salto energético adecuado para emitir fotones en la parte visible del espectro, sobre un sustrato de zafiro. Las delgadas películas de nitruro de galio (GaN) se fabrican mediante un proceso conocido como epitaxia, que acumula las regiones activas de los LED al depositar capas sucesivas sobre el sustrato. Un inconveniente es el desfasaje entre el espacio de la estructura cristalina (la unidad de distancia entre átomos individuales en la estructura cristalina) de nitrutro de galio (GaN) y el sustrato de zafiro, que se traduce en defectos microscópicos en la región activa. Estos defectos, también conocidos como desplazamientos de empalme, afectan la luminosidad y vida útil de los LED.

El carburo de silicio (SiC) tiene una estructura cristalina que es mucho más similar al nitrutro de galio (GaN) que el zafiro, lo que reduce la densidad de los defectos y mejora la eficacia y la longevidad en al menos uno y, a veces, dos órdenes de magnitud. (Vea en TechZone el artículo “Mejoras en el material y la fabricación aumentan la eficiencia de los LED”).

El zafiro y el carburo de silicio (SiC) no solo son costosos, sino que también son difíciles de fabricar de forma fiable en obleas de más de 4 pulgadas (100 mm) de diámetro. Además de ser mucho más baratas y más fáciles de producir, las obleas de silicio de 8 pulgadas tardan solo un poco más en procesarse que las obleas de 4 pulgadas. El resultado final es que las fábricas pueden cuadruplicar la producción, ya que la superficie de una oblea de 8 pulgadas es cuatro veces mayor que la de 4 pulgadas (Figura 2), y, al mismo tiempo, reducir los costos de procesamiento y materiales.

Figura 2: comparación de obleas de 2, 4, 6 y 8 pulgadas

Sin embargo, utilizar el silicio como sustrato para LED presenta enormes desafíos técnicos. El principal de ellos es que el desfasaje entre la estructura cristalina de silicio y el nitruro de galio (GaN) es aún mayor en comparación con el zafiro. Peor aún, el silicio tiene un coeficiente muy diferente a la expansión térmica de GaN. Estos dos factores generan una gran tensión al incorporar el silicio a la oblea durante la fabricación, ya que al enfriarse la oblea se agrieta. Los LED agrietados funcionan mal. Peor aún, el silicio es un muy buen absorbente de los fotones liberados que contribuyen a la luminosidad del LED. Como resultado de ello, los primeros LED de GaN-on-Si emitían entre un tercio y un cuarto de luz respecto a los dispositivos de zafiro similares (vea el artículo “¿Los sustratos de silicio impulsarán el reemplazo de la iluminación estándar por la iluminación LED?”)

Algunas empresas pioneras han perseverado en sus programas de desarrollo; mientras que los LED de tecnología GaN-on-Si continúan ofreciendo menos luminosidad, eficacia y vida útil que los LED de tecnología GaN sobre zafiro o sobre carburo de silicio, los dispositivos de los laboratorios actuales no presentan el bajo rendimiento de los dispositivos anteriores y se pueden fabricar a una fracción del costo de los LED convencionales.

Silicio de segunda generación

Debido a que los LED convencionales han mejorado constantemente (al mismo tiempo, se redujo la cantidad de LED necesarios para igualar el rendimiento de una lámpara incandescente individual o focos fluorescentes), se abrió un nuevo mercado para los LED de “rango medio”. Los chips de rango medio no pueden igualar el rendimiento de los dispositivos de alta gama actuales, pero en cambio, ofrecen un rendimiento razonable (por ejemplo, proporcionan luminosidad y longevidad equivalente al chip de calidad superior de hace dos o tres años) a un precio asequible (vea el artículo “Los LED de rendimiento medio ofrecen una alternativa menos costosa para las aplicaciones de iluminación”).

El crecimiento del mercado de rango medio ha abierto una oportunidad para los chips de GaN-on-Si. El rendimiento de los LED de sustrato de silicio actuales puede igualar fácilmente el rendimiento de los LED de rango medio de GaN sobre zafiro o carburo de silicio (SiC) y al mismo tiempo subcotizar los precios de estos últimos.

Toshiba (que trabajó originalmente en una empresa conjunta con Bridgelux pero luego compró su participación de socio en la empresa) es uno de los líderes comerciales en la oferta de LED de GaN-on-Si.

Toshiba fue cauta al dar a conocer cómo se resolvieron las dificultades técnicas del desfasaje entre la estructura cristalina y la expansión térmica entre el nitruro de galio (GaN) y el silicio (Si), pero antes de ser comprada, Bridgelux reveló que “el problema de tensión se resolvió utilizando una capa intermedia (entre el nitruro de galio y el silicio)”.

Se puede obtener más información sobre la investigación de Toshiba en artículos científicos. Un ejemplo² publicado en febrero de 2006 describe cómo los investigadores de Toshiba eliminaron las grietas que normalmente se forman en la epitaxia de GaN sobre silicio mediante el uso de capas intermedias de “carburo de silicio (SiC) cúbico”. El SiC tiene una estructura cristalina constante casi intermedia entre el nitruro de galio (GaN) y el silicio, lo que ayuda a aliviar las tensiones que, de otro modo, se acumularían y formarían grietas entre las capas contiguas de GaN y silicio.

Los investigadores informaron que una capa de SiC de 1 µm sobre una oblea de silicio de 8 pulgadas fue suficiente para suprimir las grietas en la capa activa de GaN. Aunque es más costoso que depositar GaN sobre silicio “sin capas”, el proceso sigue siendo mucho menos costoso que fabricar obleas de zafiro o SiC, ya que todavía se basa en los procesos de fabricación de silicio de bajo costo.

Toshiba también afirma que su proceso GaN-on-Si contribuye a la producción de chips de LED individuales de gran “volumen de emisión” directamente desde la oblea sin la necesidad de atravesar el proceso de montaje del LED tradicional (Figura 3). Las ventajas de esta técnica son un mayor ahorro de costos y LED individuales que podrían competir con las cada vez más populares matrices Chip-on-Board (COB): productos que incluyen múltiples LED convencionales integrados en una sola unidad (Vea en TechZone el artículo “El auge de los módulos LED Chip-on-Board”).

Figura 3: El proceso GaN-on-Si de Toshiba permite que los LED emisores de volumen integrados se corten directamente en una oblea sin la necesidad de pasar por el proceso de ensamblaje tradicional³. (Cortesía de Toshiba)

Productos disponibles

Toshiba lanzó por primera vez una serie de productos de GaN-on-Si a finales de 2012. El LED TL1F1 1 W generaba 112 lm (con una eficacia de 112 lm/W, a un voltaje de 2.9 V y una corriente 350 mA) para un dispositivo de luz blanca fría (5000 K).

Diez meses más tarde, la empresa anunció una serie modificada (la familia TL1L3), el más reciente producto comercial disponible en volúmenes, que genera 135 lm (135 lm/W, 2.85 V, 350 mA). Luego, a principios de 2015, la empresa lanzó volúmenes de muestra de la familia TL1L4 que representan un incremento de rendimiento del 60 por ciento respecto de la generación de dispositivos de GaN-sobre-Si anteriores. Lo mejor de la serie es un producto con una eficacia de 1 W (5000 K, índice de reproducción cromática, o CRI, de 70) que genera 160 lm (160 lm/W, 2.8 V, 350 mA) de luz blanca fría. Hay otras variantes disponibles dentro de un rango de temperatura de 2700 a 6500 K. Los chips se entregan en un paquete de 3.5 por 3.5 mm (Figura 4).

Figura 4: La familia TL1L4 de LED de GaN-on-Si promete 160 lm en un paquete de 3.5 por 3.5 mm.

El rendimiento de los productos de la familia TL1L4 está a la altura de los productos convencionales de alta gama en la producción de volumen como XLamp XM-L2 (155 lm/W, 2.85 V, 700 mA) de Cree y el cuadrado OSLON de OSRAM (163 lm/W, 3.05 V, 700 mA). Los productos de Toshiba en realidad ofrecen un mejor rendimiento que los dispositivos de gama media a precio competitivo como Xlamp MX-3S (85 lm/W, 10.7 V, 115 mA) de Cree y Luxeon 3535L (121 lm/W, 3.05 V, 100 mA) de Philips Lumileds.

Para una mayor luminosidad (a un costo más bajo), los productos TL1L4 pueden funcionar con una corriente directa de 1 A o incluso 1.5 A, siempre y cuando la temperatura de unión del chip se mantenga por debajo de 150°C. Toshiba explica que el nivel de rendimiento de los productos de la familia TL1L4 los hace adecuados para aplicaciones de iluminación convencionales tales como lámparas descendentes para el hogar, farolas y focos.

Tecnología complementaria

La iluminación consume actualmente alrededor del 19 por ciento de la energía mundial. Se estima que la adopción masiva de los LED reduciría en tres cuartas partes el consumo debido a su mayor eficacia. Mientras que los precios seguirán bajando naturalmente, la disponibilidad de los LED de GaN-on-Si de alto rendimiento y de costo relativamente bajo, al igual que los demás productos de Toshiba, prometen acelerar el proceso y permitir que los especialistas en iluminación suministren soluciones SSL que permitan superar las objeciones de los consumidores en cuanto a los elevados precios de compra inicial.

Es poco probable que esta tecnología alternativa alguna vez supere a los dispositivos de alta gama contemporáneos, pero ofrece un complemento a la tecnología existente que, aparte de los problemas de patentes, podría ser acaparado por otras empresas, lo cual generaría mayor competencia, precios más bajos y el aumento de la participación de SSL en el mercado de la iluminación.  

Para obtener más información acerca de las piezas tratadas en este artículo, use los enlaces proporcionados para acceder a las páginas del producto en el sitio web de DigiKey.

Referencias:

1. “Lighting the way: Perspectives on the Global Lighting Market – segunda edición”, McKinsey & Company, agosto de 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, Edición 9, febrero de 2006.
3. “Role of Substrate Choice on LED Packaging,” Steve Lester, Toshiba America Electronic Components, 2014.