Перспективы развития светодиодного освещения
Перспективы развития светодиодного освещения
3 июля 2013
Интеграция в кристалл большего числа функций и переход на использование новых материалов – два направления, в которых идут производители светодиодов, пытаясь снизить стоимость систем твердотельного освещения.
Производителям светодиодов и систем твердотельного освещения (SSL) удалось совершить значительный прогресс на пути повышения эффективности и снижения стоимости продукции. Однако в этом новом направлении предстоит еще немало сделать, чтобы светодиодная технология получила широкое распространение. Производители продолжают оптимизировать технологические процессы, пытаясь сократить стоимость продукции и повысить ее производительность. Некоторые эксперты считают, что на следующем значимом этапе совершенствования светодиодной технологии новые функциональные возможности появятся за счет большей интеграции функций в кристалле и сокращения цепочки поставок. В ближайшее время предполагается также освоение таких прорывных технологий, например, как GaN-on-Si (нитрид галлия-на-кремнии) и квантовые точки. Нанотехнологии станут популярными в более отдаленной перспективе.
Некоторые докладчики на секции "Looking ahead to the next generation of HB LED manufacturing technology" («Следующее поколение технологии производства очень ярких светодиодов»), которые выступят на выставке-конференции Semicon West (9–11-го июля, Сан-Франциско), уже поделились своим видением перспектив светодиодной отрасли. Их мнения, которые существенно различаются по многим вопросам, сходятся в одном – в необходимости более широкого функционала на уровне компонентов и системы. В то же время до сих пор не сделан выбор в пользу альтернативы люминофору – будь то кремниевая, нанотехнология или даже квантовые точки.
Больше функций
По мнению Ваутера Соера (Wouter Soer), научного сотрудника Philips Lumileds, главным отличием будущих светодиодных изделий от нынешних станет новый функционал не только на компонентном, но и на системном уровне. Одним из свидетельств тому является совершенствование высоковольтных светодиодов от Lumileds и других компаний. По мнению Соера, высоковольтное семейство Luxeon H (см. рис. 1) позволяет существенно упростить разработку драйверов и заметно сократить стоимость систем твердотельного освещения. Эти высоковольтные светодиоды проходят завершающий этап производства после нанесения эпитаксиального слоя.
Примером дальнейшего совершенствования технологии светодиодного освещения на уровне системы является недавно появившийся первый пакет программ (SDK) Philips для разработки светотехнических приложений. Этот пакет и прикладные программные интерфейсы для ламп Hue от Philips упрощают, например, разработку приложений для операционных систем iOS и Android по управлению цветом излучения ламп. Эти лампы оснащены функцией беспроводного подключения и памятью. Еще до выпуска открытой платформы пользователи получили возможность управлять дома яркостью ламп и цветом освещения, создавать цветомузыку или синхронизировать внутреннее освещение в соответствии со временем суток с помощью установленных на смартфоне программ.
Оптимизация цепочки поставок
Возможно, еще одним технологическим изменением, которое может оказать большое влияние на рынок светодиодной светотехники, станет переосмысление подхода к разделению систем на отдельные составляющие, что позволит сократить цепочку поставок. Хорошо известно, что гигантские различия между разными приложениями на этом рынке, огромное количество компонентов и изделий затрудняют развитие отрасли.
Одним из решений этой проблемы может стать оптимизация традиционного подхода, который в настоящее время предполагает разделение отрасли по таким направлениям как кристаллы, корпуса, модули и светильники. Например, в рамках проекта, который финансируется Департаментом энергетики США, компания Lumileds работает над созданием гибридного модуля с более теплым свечением. И хотя эта идея не нова, ее реализация на модульном уровне может привлечь внимание большого числа производителей систем твердотельного освещения в силу достаточной сложности решения задачи по точному цветовому смешению с помощью разных светодиодов.
Проект Lumileds предусматривает интеграцию большего числа блоков электронного управления на модульном уровне, что в дальнейшем должно оптимизировать цепочку поставок. Эта интеграция не только упростит работу драйвера (или даже включит его функции в один из блоков), но и рационализирует цепочку создания стоимости, позволив, например, производителям конечных изделий не тестировать полученные компоненты. По мнению Соера, разумное разделение системы на отдельные блоки позволит работать с меньшим числом единиц товара, что позволит сократить ее стоимость.
GaN-на-Si
По мнению сторонников технологии GaN-на-Si, она позволит снизить стоимость изготовления светодиодов за счет меньшей цены кремниевых пластин по сравнению с широко используемыми сапфировыми подложками. Более того, производители смогут отправить кристаллы, полученные после эпитаксиального процесса, на существующие фабрики по изготовлению ИС для прохождения завершающего этапа изготовления светодиодов.
По словам Эрика Вайри (Eric Virey), старшего аналитика Yole Développement, ответ о целесообразности освоения технологии GaN-на-кремнии, возможно, в скором времени дадут компании Bridgelux и Toshiba. Так, Toshiba сообщила о начале производства по этой технологии в декабре прошлого года, а в январе 2013 г. опубликовала подробные характеристики своих кремниевых светодиодов (см. рис. 2).
Вайри считает, что если продукция Toshiba, изготовленная по технологии GaN-на- Si, окажется вполне конкурентоспособной по стоимости и характеристикам, многие крупные игроки рынка, которые занимаются исследованиями в этой области, последуют примеру Toshiba. Наиболее вероятным сценарием развития событий, по мнению Вайри, станет принятие этой технологии теми компаниями, у которых уже имеется опыт работы с кремниевыми кристаллами и кремниевые фабрики. Вполне рентабельная продукция этих производителей найдет спрос в приложениях с соответствующими требованиями к стоимости и производительности.
Компания Azzurro, занимающаяся поставками пластин GaN-на-Si, уверена, что качество светодиодных устройств на кремнии не уступит устройствам на сапфировых подложках, а стоимость окажется существенно ниже. Azzurro продает кремниевые пластины размерами 150 мм (6 дюймов) и 200 мм (8 дюймов) с выращенными буферными слоями. Производители светодиодов могут выращивать на поверхности этих пластин светоизлучающие структуры, а затем отдавать их на финальную обработку на кремниевые фабрики (см. рис. 3).
Спрос на пластины GaN-на-Si поддерживается теми производителями, которые изготавливают силовые полупроводники, где эта технология нашла широкое применение благодаря высокой производительности.
Azzurro создает слои в буферном канале для контроля над степенью изгиба пластин после их роста. Эта методология позволяет выращивать более толстый слой GaN, чем большинство других буферных технологий. В результате качество изготовленных светодиодов становится выше. По завершении эпитаксиального роста избыток кремния удаляется. Пластины приобретают стандартную толщину и плоскостность, что необходимо для дальнейшей обработки на кремниевом производстве.
Пластины с буферными слоями обрабатываются равномернее, позволяя лучше контролировать длину волны излучения, выходную мощность и прямое напряжение. У кремния лучше тепловые свойства. Благодаря этому вдоль пластины поддерживается одинаковая температура для формирования более равномерного эпитаксиального слоя и лучшей сортировки светодиодов по цветовой температуре. Более высокий выход годных и производительность оборудования по изготовлению 150- и 200-мм кремниевых пластин позволяет говорить о возможности сократить стоимость изготовления светодиодов. При этом следует учитывать и то обстоятельство, что производителям не придется инвестировать средства в новое оборудование, поскольку они могут использовать имеющиеся мощности или воспользоваться фаундри-услугами.
По мнению руководства Azzurro, даже когда спрос на рынке станет достаточно большим, чтобы потребовались дополнительные производственные мощности, рентабельность перехода на 6-дюймовые сапфировые пластины окажется слишком малой для многих компаний из-за высокой стоимости этих пластин и технологических проблем, связанных с большим напряжением и изгибом. Таким образом, переход на пластины GaN-на-Si большего диаметра с последующей обработкой на кремниевой фаундри позволит многим компаниям сохранить конкурентоспособность.
Нанотехнологии и квантовые точки
По мнению Вайри, у технологии нанопроводов очень большие перспективы. Отрасль уже в достаточно полной мере воспользовалась наиболее доступными достижениями в этой области. И хотя результаты исследований наноструктур для извлечения света выглядят впечатляюще и привлекают солидных инвесторов, необходимо ответить на вопрос о том, насколько успешными эти технологии станут в серийном производстве. Новые структуры необходимо выращивать на всей поверхности 6- или 8-дюймовой пластины. Кроме того, требуется создать процесс, совместимый со стандартным набором средств для серийного производства.
Технология квантовых точек, на освоение которой ушло около 10 лет, только сейчас получает коммерческую реализацию. Так, например, она применяется в телевизорах Sony. Эта технология имеет значительный потенциал, который позволит улучшить качество цвета и уменьшить энергопотребление за счет светодиодов с синим свечением вместо белого и преобразования цвета с помощью тонких пленок с квантовыми точками. Крупные производители телевизоров убеждены, что стоимость продукции на квантовых точках будет очень высокой из-за большого числа компаний, участвующих в создании этих изделий.
В приложениях для твердотельного освещения квантовые точки с успехом заменят люминофоры благодаря более совершенному управлению спектром излучения. Например, красные люминофоры генерируют излучение за пределами видимости человеческого глаза, тогда как красные квантовые точки лишены этого недостатка.
Следует заметить, что светодиоды на подложках GaN-на-GaN и GaN характеризуются лучшей производительностью при высокой плотности тока. В этом сегменте рынка пока единственный игрок – компания Soraa. Гомогенная технология, вероятно, найдет применение в тех приложениях, в которых требуется высокая плотность светового потока на единицу площади – например, в лампах MR-16, в проекторах и автомобильных фарах. Разумеется, это станет возможным, когда ее стоимость станет ниже.