Während sich langwellige, ultraviolette LEDs schnell in den Anwendungsbereichen der Aushärtung weltweit durchgesetzt haben, stehen Anwendungen für kurzwellig emittierende UVC LEDs, die für die Desinfektion ausgelegt sind, noch vor dem Durchbruch.
UVA-LEDs, die bei 315 bis 400 nm emittieren, werden durch wachsende InGaN-basierte Epilayer auf Saphirsubstraten über die bewährten MOCVD-Methoden, die in den bekannten LED-Märkten eingesetzt werden, hergestellt. Bei UVC LEDs ist das anders. Mit einer Emission von 200 bis 280 nm umfassen viele dieser UVC LEDs AlN-Schichten auf einem Saphir-Wafer, wobei belastungsbezogenen Epitaxie-Probleme den Produktionsfortschritt beeinträchtigen, aber ein Wechsel ist im Gange.
Anfang dieses Jahres unterzeichneten die in Deutschland ansässigen Osram Opto Semiconductors einen langfristigen Lizenzvertrag mit dem US-amerikanischen Unternehmen Hexatech zur Beschleunigung der UVC LED Geräteentwicklung auf Basis von HexaTechs Material. Und erst vor kurzem zeigte der LED-Hersteller, dass im Rahmen des Projektes „UNIQUE“ die Entwicklung und Vermarktung von Hochleistungs-AlGaN-on-AlN-UV-LEDs für industrielle Desinfektionsprozesse vorangetrieben werden soll.
Unterstützt vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Medien, Energie und Technologie, wird Osram Opto zusammen mit fünf deutschen Partnern die notwendige Lieferkette zur Herstellung dieser LEDs etablieren. Osram Opto hat bereits viele der notwendigen Prozesse am Standort Regensburg verfügbar, da sich hier die LED- und Laser-Volumenproduktion befindet.
Aprotec soll den Kristallwachstumsofen herstellen, während das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Gerätetechnik die AlN-Kristallwachstumsprozesse koordiniert.
Osram Opto selbst entwickelt den UVC-LED-Chip und die damit verbundene Epitaxie und Verarbeitung, Schott soll die dringend benötigte vakuumdichte Verpackung entwickeln und der UV-LED-Systementwickler Dr. Hönle AG integriert die LED-Module in das Desinfektionssystem.
Wie Hans-Jürgen Lugauer, Leiter der UV-LED-Forschung und -Entwicklung bei OSRAM Opto, behauptet: „Von der AlN-Substratproduktion über die Chipherstellung bis hin zur Verpackung und dem Endprodukt für den Endverbraucher werden wir die komplette Wertschöpfungskette für tiefen UV- LEDs und verwandte Produkte in Bayern. „
Lugauer geht nicht davon aus, dass AlN-Wafer in den notwendigen Mengen für die Serienproduktion zur Verfügung stehen werden, da das Projekt schließt, aber wie er es ausdrückt: „Die Hexatech-Vereinbarung war ein unabhängiger Umzug, um den Zugang zu hochwertigen AlN-Wafern so schnell wie möglich zu sichern. „
Wafer-Dilemma
Im Moment verwendet Osram Opto zwei Zoll-Saphir-Wafer für UV-LED-Epitaxie und Chip-Entwicklung, die Implementierung einer AlN-Pufferschicht zur Verwaltung von Gitterstämmen. Allerdings haben die Forscher des Unternehmens bereits mit der Epitaxie auf AlN-Substraten experimentiert und die Arbeit wird im Rahmen des UNIQUE-Projekts fortgesetzt.
„Wir haben die Epitaxie-Experimente parallel durchgeführt, um bereit zu sein, alle Prozesse auf zwei Zoll Wafer zu übertragen, sobald sie in Mengen verfügbar sind“, hebt Lugauer hervor.
Als Teil seiner Arbeit verwendet Osram Opto MOVPE-Wachstum zur Herstellung von AlGaN-Dünnfilmen für tiefe UV-LEDs. Wie Lugauer ausführt, liegen die Versetzungsdichten auf AlN / Saphir-Templates derzeit bei etwa 109 / cm2, fallen aber auf weniger als 104 / cm2-Strukturen auf AlN-Substraten.
„Es ist noch nicht klar, ob die Versetzungsdichten auf AlN / Saphir-Schablonen niedrig genug sind, um die hohe Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen, die für Anwendungen mit hoher Stromdichte-Desinfektion erforderlich sind“, sagt Lugauer.
Und wie der Leiter der UV-LED R & D zeigt, ist die Effizienz von AlGaN-basierten Strukturen sehr empfindlich auf Defekte und Versetzungen. Er fragt, ob oder nicht sogar kürzere Wellenlängenanwendungen, wie z. B. Gasmessung, in der Lage sind, Saphirsubstrate überhaupt zu verwenden.
„Die AlN-Substrate bieten eine sehr geringe Versetzungsdichte, die einen positiven Effekt auf die Effizienz und Lebensdauer des Gerätes haben sollte und uns die leistungsstarken, hochwertigen Geräte bietet, die Osram Opto bekannt ist“, fügt er hinzu.
Lugauer zeigt auch, wie die Verwendung der nativen AlN-Substrate mit AlGaN-Schichten thermisch induzierte Spannungen und Waferbogen nach Epitaxie reduziert. „Der große Bogen der tiefen UV-LEDs auf Saphir verhindert manchmal die automatisierte Wafer-Handhabung in unserer Chip-Verarbeitungslinie, aber [mit AlN-Wafern] erleichtert die Wafer-Handhabung“, sagt er.
„Die Bogenproblematik nimmt deutlich zu, da Wafer in der Größe vergrößern, was derzeit die Verwendung von vier und sechs Zoll Saphir-Substraten mehr oder weniger unmöglich für tiefe UV-LEDs Verarbeitung“, fügt er hinzu. „Im Gegensatz dazu können, sobald größere AlN-Substrate zur Verfügung stehen, die Prozesse einfach auf die [größere] Größe übertragen werden.“
Dennoch gibt Lugauer zu, dass Saphir-Substrate viel billiger sind, so dass Osram Opto beide Substratrouten verfolgen wird, bis die Materialvorteile und Grenzen klarer sind. „Dann werden wir uns für den praktischsten Ansatz entscheiden“, sagt er. „Es könnte sich herausstellen, dass wir beide Substrate verwenden werden, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen abzudecken.“
Mittlerweile hat Lugauer seine Augen fest auf die Epitaxie- und Chipprozesse fixiert. Er glaubt, dass die wichtigsten Schritte zur kostengünstigen Volumenproduktion von tiefen UV-LEDs einen Epitaxieprozess entwickeln, der LEDs mit einer hohen internen Quanteneffizienz sowie einem Chipprozess liefert, der Geräte mit hoher Stromstabilität und Lichtextraktion produziert, um ein externes Quanten zu liefern Wirkungsgrad von mehr als 10%.
„Beide Prozesse werden nun in unserem Projekt entwickelt, aber wir erwarten nicht, dass die Produktion vor 2020 fertig ist“, sagt er.
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