Ushio startet Massenproduktion kleiner, hocheffizienter SWIR-LED-Chips

Oude Meer, Niederlande (März 2022) – Die Ushio Gruppe (Hauptsitz: Tokio; Präsident und CEO: Koji Naito; nachfolgend „Ushio“) hat ihren Einstieg in den Markt für ungehäuste LED-Chips bekannt gegeben. Ushio ist mit seinen gehäusten LEDs und Laserdioden bereits auf dem Gebiet der Festkörperbeleuchtung (solid-state lighting, SSL) etabliert und erweitert nun seine Produktlinie ungehäuster Chips, um andere Hersteller gehäuster LEDs sowie Kunden, die mehr Flexibilität bei ihrem Produktdesign wünschen, zu bedienen. Dieser Schritt dürfte die Aufmerksamkeit der Hersteller von LEDs mit geringem Platzbedarf und der OEMs kompakter Geräte in den Bereichen Smartphones und Vitaldatensensorik auf sich ziehen.

Durch technologischen Fortschritt zu den „effizientesten SWIR-LEDs der Welt“

Nach einer kompletten Überarbeitung der bestehenden Epitex S-Serie bieten die SWIR-LED-Chips (short-wavelength infrared, kurzwelliges Infrarot) der Epitex D-Serie von Ushio Inc. dank der Einführung einer neuen Strukturtechnologie für LED-Bauelemente einen deutlichen Effizienzsprung. Die neue D-Serie wartet mit einigen attraktiven Verbesserungen auf, die Herstellern, die das Packaging der LED-Chips selbst übernehmen wollen oder mehr Gestaltungsfreiraum benötigen, mit Sicherheit ins Auge fallen werden. Zu den Branchen, die von dem neuen Design profitieren werden, gehören die Hersteller von Smartphones und Mobilgeräten, Vitaldatenmonitoren und Näherungssensoren

Technische Verbesserungen der SWIR-LED-Chips der Epitex D-Serie

Verbesserte Wärmeableitung und höhere LED-Strahlungsdichte durch InP-Substrat-Lift-off-Verfahren

Ushio hatte zwar schon früher Indiumphosphid (InP) als bevorzugtes Substrat für das epitaktische Wachstum identifiziert, doch wollten die versierten Ingenieure unbedingt die vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit verbessern. Um die Wärmeableitung zu verbessern, suchte die LED-Abteilung von Ushio nach einer Möglichkeit, eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

Das japanische Team entwickelte ein Verfahren zur Massenproduktion, das als „InP-Substrat-Lift-off“ bezeichnet wird und bei dem das InP-Substrat durch ein Trägersubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit ersetzt wird. Aufgrund des Temperaturanstiegs kommt es bei InP zu einem relativ starken Abfall der Effizienz. Diese Verbesserung der Wärmeableitung hat also die Gesamteffizienz unter tatsächlichen Einsatzbedingungen verbessert.

Da das InP-Substrat SWIR-Licht durchlässt, wird das von der aktiven Schicht herkömmlicher SWIR-LEDs (Ushio Epitex S-Serie) emittierte Licht nicht nur von der Epitaxieschicht, sondern auch von der Seite des Substrats extrahiert. Das Ergebnis ist eine starke Streuung des emittierten Lichts.

Im Gegensatz dazu wird bei der Struktur der neueren Epitex D-Serie von Ushio das InP-Substrat entfernt und eine hochreflektierende Schicht zwischen dem Trägersubstrat und der Epitaxieschicht eingefügt. Um eine hochreflektierende Schicht zu bilden, wurden die Materialien und die Struktur der reflektierenden Schicht sorgfältig untersucht, um einen Anstieg des elektrischen Widerstands im Inneren der LED zu vermeiden und sowohl elektrische als auch optische Eigenschaften zu erzielen.

Infolgedessen wird das Licht nur aus der dünnen Epitaxieschicht extrahiert, was wiederum die Strahlungsdichte der LED verbessert. Für Optikdesigner ist eine Lichtquelle mit hoher Strahlungsdichte im Allgemeinen einfacher zu entwerfen und in optischen Systemen zu verwenden.

Verbesserte Lichtauskopplungseffizienz durch neue Extraktionsstruktur auf der Chip-Oberfläche

Um eine hohe LED-Effizienz zu erzielen, muss das Licht effizient von der aktiven Schicht an die Außenseite des Halbleiterkristalls extrahiert werden. Es ist jedoch schwierig, Licht aus einem Kristall mit hohem Brechungsindex zu extrahieren, da an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Luft Totalreflexion auftritt.

Wenn die Oberfläche des Bauelements eine Ebene darstellt, können nur wenige Prozent des im Inneren des Kristalls emittierten Lichts nach außen gelangen. Zudem wird das im Inneren des Kristalls gefangene Licht, nachdem es vielfach im Inneren des Kristalls reflektiert wurde, letztendlich absorbiert. Ushio hat diese Eigenschaften durch die folgenden Methoden verbessert.

Die Ausbildung einer rauen Struktur auf der Chip-Oberfläche bewirkt eine Unterdrückung der Totalreflexion an der Chip-Luft-Grenzfläche und verbessert so die Lichtauskopplung von LEDs. Die raue Struktur wird auf der LED-Oberfläche durch ein neues und kompliziertes Ätzverfahren erzeugt. Diese einzigartige Methode zur Bildung homogener Oberflächenunregelmäßigkeiten verbessert nachweislich die Effizienz der Lichtauskopplung, während ein hochreflektierender Spiegel den Lichtverlust im Inneren des Chips reduziert und so die Effizienz der Lichtextraktion maximiert.

Höhere Effizienz und Zuverlässigkeit durch Kontrolle der chipinternen Strompfade

Bei vielen LEDs ist der Widerstand in dem Bereich direkt unter den Elektroden gering, so dass sich der Strom dort konzentriert. Da die Lichtemission von LEDs in der Regel proportional zur Stromstärke ist, steigt die Lichtmenge, die direkt unter den Elektroden emittiert wird, wenn sich der Strom dort konzentriert. Dies führt zu dem Problem, dass das direkt unter der Elektrode emittierte Licht von der Elektrode abgeschattet wird und das Licht nicht ausreichend aus dem Kristall extrahiert werden kann. Gleichzeitig verursacht die Stromkonzentration eine lokale Belastung des Kristalls, was die Zuverlässigkeit des Bauelements beeinträchtigt.

Die Ingenieure von Ushio haben neue Designmöglichkeiten hinsichtlich Anordnung und Form der Elektroden untersucht, um die Ausbreitung des Stroms im Inneren des Kristalls zu erleichtern. Diese Verbesserungen führten dazu, dass die Lumineszenz direkt unter den Elektroden unterdrückt und die effektive Lichtmenge erhöht wurde. Infolgedessen wurde die Stromkonzentration unterdrückt und die Zuverlässigkeit bei höheren Treiberströmen verbessert.