RGB светодиоды ФТИ им. А.Ф. Иоффе НТЦ микроэлектроники РАН

RGB светодиоды
ФТИ им. А.Ф. Иоффе
НТЦ микроэлектроники РАН
“Облако” светодиодных технологий: влияние на
стоимость и параметры светодиодов
LED magazine, February 2011
RGB светодиод – принцип работы
+ потенциально предельная эффективность (нет стоксовых потерь);
возможность динамического управления качеством света (цветом)
- сложность и высокая стоимость;
отсутствие эффективной желто-зеленой компоненты
За рубежом: широкая
номенклатура светодиодов
RGB-типа
Cree Xlamp MCE4CT
RGB+Neutral/Warm
LedEngin Emitter LZ400MA10 RGBA:
Seoul Semiconductors
Z-PowerP5 RGB:
Отечественных аналогов
до сих пор нет
PerkinElmer’ ACULED ®
VHL RGBA:
Luminus PhlatLight CBM380 RGB+Neutral White:
Требования к светодиодам желто-зеленого
диапазона
Тип
CRI
LE,
lm/W
Длины волн первичных цветов peak, nm
син.
450460
синзел.
490510
зел.
530540
желзел.
560570
ор-крас.
600-630
571
-
-
615-625
Дихр.
3
430
452
-
-
Трихр.
85
280-300
460
-
540
Квадро.
98
-
454
509
-
561
619
Квинто.
99
-
448
493
531
572
623
?
A.Zukauskas, M.Shur , R Gaska (2004)
S.Chhajed, Y.Xi, Y.-L.Li, Th.Gessmann, E.F.Schubert (2005)
3-х и 4-х цветные системы при оптимальном выборе исходных
цветов достаточны для достижения хороших CRI
Необходимы светодиоды диапазона 490-570 нм
“Зеленая” долина
• Использование различных дизайнов активной области позволяет
получить светодиоды в диапазоне длин волн 500-560 нм
Гибридный RGB светодиод
• Возможность изменения цветовых параметров в широких пределах
• Относительно низкая эффективность излучения
Гибридный RGBW светодиод:
синий + зеленый + красный + белый
• Возможность изменения коррелированной цветовой температуры
• Высокая эффективность излучения
Монолитный белый светодиод
• Максимальная квантовая эффективность – 14 лм/Вт
• Коррелированная цветовая температура (CCT) при увеличении тока
меняется в пределах от 6000 до 12000 К
Выводы
•
•
Рост светодиодов желто-зеленого диапазона с высоким содержанием
индия требует оптимизации геометрии реактора
Необходимость роста структур с точно определенной длиной волны
Проблемы:
• Разработка промышленной технологии требует использование
подложек большей площади (как минимум 4”, в перспективе 6-8”)
• Исследовательские реакторы практически отсутствуют на рынке,
промышленные дороги и оптимизированы для производства синих
светодиодов
Необходим специализированный реактор ???
Эпитаксиальное оборудование
56
Каждое следующее поколение
значительно совершеннее
предыдущего
55
54
49
48
45
Двухдюймовок в реакторе
42
36
Минимальная емкость реактора
растет от поколения к поколению
32
30
Максимальная емкость реактора
растет от поколения к поколению
24
24
21
19
18
12
6
6
6-7
6
3
1
1 2 3 4 5
Поколение
1-?
1 2 3 4 5
Поколение
1 2 3 4 5
Поколение
Crius
Closed-Coupled-Showerhead
MOCVD reactor
after growth of LED structure
on 200 mm sapphire
Aixtron
(Материалы конференции CS MANTECH
Conference, 17-20 Мая 2010, Портланд,
США)
Современного III-N эпитаксиального оборудования для НИР, ОКР
и мелкосерийного производства (производство нишевого продукта)
на рынке НЕТ!
От технологии к реактору
Светодиоды
диапазона 390-430 нм
DBR maximum reflectivity
fits to lasing wavelength
RT
Active Region
Peak Intensity (arb. un.)
PL Intensity (arb. un.)
(1995-2011)
50 nm detuning
2
1000 kW/cm 2
700 kW/cm 2
0
480 kW/cm 2
200 400 600 800 1000
2.8
3.0
2
Excitation Density (kW/cm )
63 kW/cm
3.2
3.4
3.6
3.8
Вертикально-излучающие
лазерные структуры
Светодиоды
диапазона 450-480 нм на
сапфире, Si и SiC
Photon Energy (eV)
Светодиоды “глубокого” зеленого
диапазона 540-560nm
Брегговские зеркала
AlGaN/GaN, InAlN/GaN
Рост на профилированном сапфире
Первые УФ СД без In
НЕМТ структуры
AlGaN/GaN, InAlN/GaN
Лазерная генерация в
гетероструктурах AlGaN/GaN
(2009-2011)
Технология роста
GaN, AlGaN,
InGaN, ELOG
RGB белые светодиоды
Монолитный белый СИД
Home-made system
1995, 2003
Эксплуатация планетарного
реактора Aix2000HT c 2003
Сотрудничество с “Софт Импакт”
Установка МОС-гидридной эпитаксии
Наименьшие размеры в классе
Давление в реакторе 100-1500 мбар
3 подложки 2” или 1 подложка 4”
Современная импортная
элементная база:
MFC и PC с цифровым управлением
Все уплотнения газовых линий
типа «металл-металл»
7 зон инжекции газов в активную область
реактора:
контроль однородности
увеличение вхождения индия
увеличение вхождения алюминия
Реактор сконструирован на основе
моделирования в компании «СофтИмпакт»
По процессам в реакторе близок к
планетарным реакторам AIX G4 и AIX G5.
Оптимальная конфигурация для
НИР и ОКР по заказу производств,
использующих планетарные реакторы
AIXTRON.
Возможность увеличения емкости
реактора для пилотных производств.
Установка МОС-гидридной эпитаксии
Бокс с защитной атмосферой
PLC и UPS системы управления
Генератор индукционного нагрева
(Hüttinger)
Загрузочный
шлюз
Система подачи гидридных
и несущих газов
(Bronkhorst, Flowlink, Swagelok)
Реактор
Система подачи МО
(Bronkhorst, Flowlink, Swagelok)
Маршевый насос (Ebara)
Термостаты МО испарителей
Установка МОС-гидридной эпитаксии
Текущее состояние
Проведено
моделирование
нагрева и вращения.
Этап изготовления
реактора
Разработана система in-situ мониторинга
Собрана газовая
схема и система
управления
Предложения
Стимулировать разработку технологии эпитаксиального роста
светодиодных структур на подложках большой площади (6”, в
перспективе 8”).
Стимулировать разработки различных типов RGB
светодиодов как для систем общего освещения, так и
нишевых применений (хирургическое освещение,
специализированные типы светильников)