Applicazioni ed affidabilità dei LED su nitruro di gallio

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1 Applicazioni ed affidabilità dei LED su nitruro di gallio Enrico Zanoni Università di Padova, Dipartimento di Ingegneria dell Informazione

2 Sommario Introduzione Applicazioni dei LED Principi di funzionamento dei LED Efficienza dei LED Confronto con sorgenti luminose tradizionali Affidabilità dei LED Conclusioni

3 Sorgenti luminose Le pietre miliari La prima lampada ad incandescenza: i modelli di Joseph Swan (sinistra) e di Thomas Edison (destra) Sviluppo della prima lampada a fluorescenza (George Inman e Richard Thayer, General Electric a Cleveland, Ohio) Nel 1993 Shuji Nakamura sviluppa i primi LED blu ad alta efficienza, basati su nitruro di gallio. Questa scoperta apre la strada allo sviluppo del solid-state lighting

4 LED L evoluzione ( ) Luxeon Rebel (2008)

5 LED Principio di Funzionamento e e e e h e h h h h BC BV Elettrone in zona p!

6 LED Principio di Funzionamento e e e e h e h h h h BC BV Elettrone in zona p! Banda di conduzione e E=hν Banda di valenza Fenomeno di ricombinazione radiativa Lunghezza d onda d dipendente da Energy Gap (dipende dal materiale)

7 Semiconduttori LED Principio utilizzati di funzionamento (2) Il fotone emesso ha energia pari all Energy Gap del semiconduttore Si GaAs Al y In x GaP 1-x-y Al y In x GaN 1-x-y E=1.12 ev (infrarosso) E=1.42 ev (infrarosso) E~ ev (rosso giallo) E~ ev (verde UV) Emissione nel visibile

8 Prestazioni delle lampade ad incandescenza Spettro ed efficienza (lampada ad incandescenza) UV Visibile Infrarosso Corpo nero a 3000 K Lampada ad incandescenza Spettro molto simile a quello solare Efficienza ~ 5 % (calore!) Tempo di vita ~ ore

9 Prestazioni delle lampade a fluorescenza Visible Spettro ed efficienza (lampada a fluorescenza) Halophosphate Tri-phosphor Multi-band Spettro con diversi tipi di fosfori Atomi di mercurio emettono radiazione UV Luce bianca prodotta eccitando fosfori con radiazione UV Forma spettro dipendente da tipo di fosfori utilizzati Efficienza ~ 20 % Tempo di vita ~ ore

10 Prestazioni dei LED ad alta efficienza Spettro (LED) Intensity (a.u.) Wavelength (nm) Luce praticamente monocromatica (E~Energy Gap) Efficienza interna ~ 90% Tempo di vita ~ ore

11 Applicazioni dei LED

12 Illuminazione a stato solido WellnessLighting 2010 >100 lm/w Corporate Lighting Marker Light 2005 Architectural Lighting >50 lm/w General Lighting lm/w w/o with night vision

13 Automotive CoD Ambient lighting HUD 2008 Interior lighting RCL & CHMSL 2004 Infrared distance control Infrared nightvision system 2002

14 Illuminazione stradale

15 L introduzione di LED con un efficienza di 150 lm/watt porterà (negli USA) a: Risparmiare circa $115 miliardi di dollari entro il 2025* Eliminare la produzione di 258 miliardi di tonnellate di CO2 Risparmiare 273 TWh/anno di energia (fonte: US Department of Energy)

16 Proprietà e vantaggi delle sorgenti luminose a LED Le sorgenti luminose basate su LED hanno numerosi vantaggi rispetto a quelle convenzionali: Elevata efficienza Risposta veloce, possibilità di dimming Color mixing Ridotte dimensioni Elevata robustezza a scariche elettrostatiche ed urti

17 Market drivers per i LED in million US$ La Ogni crescita fasedi del crescita mercato è collegata dei LED sarà legata ad un allo segmento sviluppo specifico di applicazioni di c.a.g.r. potenza ~ (IR 15 &% VIS) Non solo illuminazione (backlighting, proiezione, automotive, ) Industry Phase Automotive Phase Mobile Com Phase Power Power Phase Phase Source: Strategies Unlimited HB-LED, 2003, 2005, 2006

18 Market drivers per i LED Output luminoso General Lighting 1500lm FP Home Cinema Projection 1000lm RPTV Room illumination Headlamp 500lm 300lm Lighting 240lm 120lm Pocket Projection Head up Display II Obiettivo: aumentare l efficienza per ridurre i consumi e lo sviluppo di calore 2008

19 LED Struttura tipica Contatto di anodo (semi- trasparente) Semiconduttore di tipo p Zona attiva(mqw) 300 µm Semiconduttore di tipo n Substrato conduttivo Contatto di catodo 300 µm

20 Struttura di un LED di potenza p-gan Contact Layer p-algan e - Blocking Layer I LED sono sistemi complessi: Chip di semiconduttore (AlInGaN) Specchio riflettente Lente epossidica/siliconica Fosfori per la generazione di luce bianca Dissipatore di calore InGaN/GaN MQWs n-gan Layer AlGaN Cladding Layer GaN substrate and buffer

21 Generazione di luce bianca mediante LED Diagramma cromatico 1. Metodo RGB InGaN Planck E InGaAlP colour on demand Proprietà cromatiche regolabili finemente 2. Conversione mediante fosfori LED blu + = Fosfori gialli Luce bianca

22 Resa Cromatica: differenze tra le diverse sorgenti

23 LED La roadmap Recenti record di efficienza: 169 lm/w (Nichia) 152 lm/w (UCSB)

24 Fattori che determinano l efficienza dei LED Metal Organic Vapor Phase Epitaxy Tecnologia del chip Package Epitassia Efficienza Q. interna Estrazione di luce Perdita di elettroni Dissipazione di calore Estrazione della luce (λ-conversion + Stokes losses) Substrato η Wall plug = η. int η. η extr. electr η package.

25 Efficienza dei LED Stato dell arte I LED commerciali raggiungono attualmente I lm/w mw mw 350 ma ; 3,2 V Conversion Extrakc. Eff. Intern. Q.E. Elect. 100 extraction 50% 105lm/W Lum. Efficiency [lm/w] Package 67 lm/w Conversion Stokes Package electrical 75 lm 50 Heat 23% 77% 84% % 75 lm 94% 75% 84% 76% Light Lum. Flux white [lm] Current [ma]

26 Efficienza dei LED Situazione futura Nel futuro: LED commerciali con efficienza di 150 lm/w mw Conversion mw ma ; 3,2 2,9 V Extrakc. Eff. Intern. Q.E. Elect. 100 extraction 50% 105lm/W Lum. Efficiency [lm/w] Package Conversion 150 lm/w Stokes Package % electrical 75 lm Heat 90% 93% 0 Lum. Flux white [lm] 96% 90% Current [ma] 85% 84% 150 lm 51% Light

27 Sorgenti luminose: l efficienza dipende anche dalla fixture Tipo di sorgente Efficienza sorgente Efficienza fixture Efficienza complessiva

28 Efficienze a confronto Lampada agli Alogenuri Metallici (Metal/Halide) Lampada a LED

29 Un esempio: uso di LED per illuminazione outdoor High pressure sodium (HPS) lamps LED Lamps

30 Roadmap per il Solid-State Lighting Flusso luminoso e Costo per Lumen dei LED (rossi e bianchi) Cost/Lumen ($/lm) Red +20x/Decade OSTAR Lighting Flux/Lamp (lm) -10x/Decade White Battlefields for Lighting

31 Cost of Ownership Lampada agli Alogenuri Metallici (Metal/Halide) Lampada a LED

32 Circuiti di driving per LED

33 Principali problematiche relative ai LED L utilizzo di LED in applicazioni commerciali è limitato da diversi fattori, tra cui: Ridotta efficienza quantica esterna Ridotta affidabilità Problematiche relative alla dissipazione termica Necessità di fixture adeguate e di sistemi retrofit Necessità di un adeguato controllo della luce bianca Necessità di circuiti di driving efficienti ed intelligenti Per risolvere questi problemi, è necessario uno sforzo interdisciplinare (fabbricazione dei chip, delle lampade, dei driver, studio dell affidabilità, sviluppo di modelli termici, studio delle applicazioni )

34 Affidabilità dei LED LED Degrado graduale La cinetica dipende dalle condizioni di utilizzo (I, T, ) Sorgente luminosa tradizionale Rottura brusca Sorgenti luminose tradizionali (incandescenza e fluorescenza) Rottura brusca, interruzione della funzionalità Sorgenti luminose basate su LED Degrado graduale del flusso luminoso (rotture brusche rare), serve definire un criterio di guasto

35 LED Meccanismi di degrado Annerimento del package plastico Effetto alte temperature + radiazione emessa dal LED (più accentuato su LED blu/uv)

36 LED Meccanismi di degrado

37 LED Meccanismi di degrado

38 Degrado del package

39 LED Rotture brusche Alte correnti e temperature possono indurre rotture brusche dei dispositivi Specialmente legate a rottura di contatti, distaccamento del chip e crack delle giunzioni

40 Estrapolazione delle leggi di degrado I I I LED possono avere elevata affidabilità ( ore) Agendo sulle principali driving forces (temperatura, corrente, ) è possibile effettuare test di vita accelerati, e derivare le leggi di degrado do (previsione tempo di vita, benchmarking, ) Esempio Meccanismo di degrado attivato termicamente Estrapolazione delle leggi di degrado = I t / τ 0 e, τ e E A / kt OP measured at 10 ma (% of initial value) C 220 C 230 C 210 C 190 C 180 C Stress time (minutes) Previsione del tempo di vita (t=3500 h a 120 C)

41 Conclusioni I LED sono ottimi candidati per la realizzazione di sorgenti luminose ad elevata efficienza Sebbene per campioni di laboratorio si ottengano efficienze molto elevate (169 lm/w), le sorgenti luminose disponibili sul mercato hanno efficienza piuttosto ridotta (64 lm/w) Necessaria ottimizzazione dell efficienza interna, dell efficienza della fixture, della dissipazione del calore L affidabilità di sorgenti luminose a LED risulta limitata dal degrado parametrico dei chip e del package Necessari test di vita accelerata per determinare le cinetiche di guasto e per ottimizzare l affidabilità dei dispositivi Perché si realizzi la Solid-State Lighting Revolution, è necessario che produttori di chip, lampade e driver lavorino a stretto contatto, per ottimizzare l affidabilità e le prestazioni delle sorgenti luminose a LED

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