Paul van Gerven
11 March 2009

De EU doet de gloeilamp in de ban en de University of Cambridge sprong daar handig op in met een hyperbolisch persbericht over goedkope led-lampen op basis van galliumnitride. De media namen het bericht massaal over, maar alle nuances over de aard van de innovatie gingen daarbij verloren. Verantwoordelijk onderzoeker Colin Humphreys is zelf de eerste om dat te onderkennen.

’Magische lampen gaan elektriciteitsrekening drastisch verlagen‘, zo luidt vrij vertaald de kop van het persbericht dat de University of Cambridge op 29 januari de deur uit deed. Het pittige statement miste zijn effect niet: de Britse pers dook er gretig op. De ene krant na de andere repte van de ontdekking die de productiekosten van de witte-led-lampen – want daar gaat het persbericht over – flink zou drukken, wat huishoudelijk gebruik van de zuinige halfgeleiderlichtjes eindelijk interessant zou maken. Uiteindelijk konden zelfs de respectabele BBC en New Scientist niet achterblijven.

Kijkers en lezers kregen fraaie rekenvoorbeelden voorgeschoteld. Het lampje van amper twee pond zou tot honderdduizend uur of zestig jaar meegaan en twaalf keer minder energie verbruiken dan een gloeilamp. De gemiddelde consumenten zou er 75 procent kostenbesparing op zijn verlichting mee kunnen bewerkstelligen en het verlichtingsaandeel in zijn elektriciteitsrekening kunnen reduceren van 20 naar 5 procent. Om nog maar te zwijgen van de gunstige effecten op het milieu. Acht energiecentrales zouden dicht kunnen, als alle Britten onmiddellijk zouden overschakelen.

In werkelijkheid had professor Colin Humphreys van de University of Cambridge een dergelijke ’magische‘ lamp niet gemaakt. De materiaalkundige had galliumnitride op een wafer van silicium weten te leggen, en wel van een kwaliteit die waarschijnlijk goed genoeg is om led-lampen mee te maken. Omdat silicium een veel goedkoper substraat is dan het gangbare saffier, zowel wat betreft materiaal- als verwerkingskosten, liggen minder dure led-lampen dus in het verschiet.

Het bewuste persbericht spendeert welgeteld 33 woorden (één zin) om uit te leggen wat de onderzoekers nu precies voor elkaar hebben gekregen. De rest van de in totaal 392 woorden gaan voornamelijk over hoe geweldig led-lampen zijn. De emeritus hoogleraar zelf is bovendien verre van bescheiden. ’Dit zou heel goed de heilige graal kunnen zijn in termen van de verlichting van de toekomst. We zijn heel dicht bij de realisatie van zeer efficiënte, goedkope lampen‘, aldus zijn statement.

Lekker weinig wetenschap, een milieuvriendelijke insteek en nog goed voor de portemonnee ook – meer dan genoeg ingrediënten voor een stevige, zij het kortstondige hype. Curieus genoeg bleef die deze keer beperkt tot het Britse eiland. Meestal verspreidt zoiets zich als een lopend vuurtje. Een zeker chauvinisme, het nieuws was tenslotte op en top Brits, kan daarbij een rol hebben gespeeld.

Toch doet de communicatiedienst van Cambridge zijn hoogleraar tekort met zo‘n karig persbericht. Het Britse laagje galliumnitride op silicium is namelijk erg interessant, ook al bouwt het – zoals altijd in de wetenschap – voort op eerder ontwikkelde strategieën.

Blauw, wit, groen

Galliumnitride (GaN) is een van de meest belangrijke halfgeleiders na silicium. Marktonderzoeker Strategies Unlimited voorziet dat de GaN-markt in 2011 goed is voor 9 miljard dollar – een schijntje vergeleken met siliciumgebaseerde chips, maar toch een verdubbeling ten opzichte van 2006. De eerste massatoepassing van GaN is de blauwe laserdiode, onmisbaar voor de grotere opslagcapaciteit van bijvoorbeeld Blu-ray. Het lasertje verwierf zelfs wereldfaam toen Sony‘s Playstation 3 (uitgerust met Blu-ray) vertraagd werd omdat de laserleverancier moeite had zijn verplichtingen op tijd na te komen. Dit uiteraard tot ongenoegen van fans die al maanden reikhalzend uitkeken naar de release van de console.

GaN heeft nog meer in huis. Dankzij een relatief grote band gap is het materiaal uitermate geschikt voor robuuste schakelingen. Kosmische straling, hoge temperaturen en andere schadelijke invloeden deren GaN veel minder dan bijvoorbeeld galliumarsenide of silicium. GaN-schakelingen hebben bovendien een hoge breakdownspanning: ze werken en blijven werken bij voltages waarbij de concurrentie het in de regel begeeft. Dankzij deze eigenschap kunnen ze ook meer vermogen produceren, of liever gezegd: hebben ze een hogere vermogensdichtheid. De efficiëntie van de omzetting hoeft daar niet eens onder te lijden – integendeel.

In de vermogenselektronica maakt GaN dan ook een gang van niches in de militaire markt en de lucht- en ruimtevaart, waar tegen een stootje kunnen een dikke pre is, naar commerciële toepassingen als basisstations in gsm-masten. Veel energiestromen gaan tegenwoordig op een of andere manier door siliciumschakelingen, en die zijn voor verbetering vatbaar. Er liggen dus interessante mogelijkheden voor duurzamere, zuinigere, goedkopere, kortom betere GaN-vermogenselektronica. In Nederland zijn NXP en TNO actief op dit gebied (zie ’Europa, NXP profiteert mee van groei GaN‘, Bits&Chips 17, 2008). In Vlaanderen draagt Imec het vaandel.

En dan is er nog de led-verlichting – momenteel goed voor ongeveer 3 procent van de wereldwijde verlichtingsbehoefte, maar de verwachting is dat efficiënte leds een aanzienlijk groter marktaandeel gaan veroveren. Galliumnitride is daarbij van grote waarde. Het materiaal is namelijk essentieel om wit licht te krijgen. Van zichzelf zendt het blauw licht uit, een gevolg van de grote band gap, maar met een fosfor die het gedeeltelijk omzet in geel, krijg je een witte lamp. Het is ook mogelijk groen licht uit het materiaal te persen door het te mengen met indium. Dit is vooral handig voor displays.

Cree_MC E_warm_Lit_HR
Led-lampen, zoals deze van Cree, zullen een groter deel van de verlichtingsmarkt veroveren.

Assortiment

Ongeacht de toepassing heeft galliumnitride ook een vervelende eigenschap: het laat zich niet zomaar op silicium deponeren. GaN-kristallen moet je bij meer dan duizend graden Celsius laten groeien. Omdat silicium en GaN bij afkoeling niet met dezelfde snelheid krimpen, ontstaan scheuren. Saffier of siliciumcarbide krimpen met een meer vergelijkbare snelheid en zijn daardoor wel geschikt als substraat. Maar silicium is goedkoper, beschikbaar in grote wafergroottes en er is decennia ervaring beschikbaar om het te verwerken. Wafers van zuiver GaN zijn sinds enkele jaren ook een – dure – mogelijkheid, maar makers van lasers, leds of vermogenselektronica zouden het liefst saffier of siliciumcarbide inruilen voor silicium.

Gelukkig is daar een trucje voor. Een bufferlaagje van bijvoorbeeld aluminiumgalliumnitride (AlGaN) doet wonderen. In 2006 rapporteerde Imec bijvoorbeeld al AlGaN-geassisteerde kristal-op-kristalgroei (epitaxiaal) van GaN op een 150 mm silicium wafer. Vorig jaar slaagden de Leuvenaren er samen met de Duitse machinebouwer Aixtron in die prestatie te herhalen op een 200 mm wafer. Dit onderzoek was gericht op vermogenselektronische schakelingen.

Wie de mediaberichten over Colin Humphreys leest, krijgt de indruk dat hij zo‘n beetje hetzelfde heeft gedaan als Imec. Ook hij heeft met behulp van AlGaN een laagje GaN op een 150 mm wafer gelegd, maar dan met een led-technologie in het achterhoofd. Het persbericht en de artikelen in de media laten echter bijna allemaal na om te vermelden dat Humphreys nóg een bufferlaagje introduceerde: siliciumnitride (SiN). Dit materiaal zou de vorming van defecten tegengaan, wat de efficiëntie van leds ten goede komt. Een innovatie mag het niet heten, want anderen gingen de Engelsman voor.

’Of het nu om leds of vermogenselektronica gaat, voor beide toepassingen is het de kunst om materiaalstress onder controle te houden‘, vertelt programmamanager Power Electronics Marianne Germain van Imec. ’Bij vermogenselektronica is de extra uitdaging dikke lagen maken, die ervoor zorgen dat de schakelingen bij hoge spanningen kunnen opereren. Voor leds is een laag van enkele microns dik genoeg, maar hoe lager de defectdichtheid, hoe hoger de efficiëntie van de leds.‘ Imec heeft zijn programma voor GaN-vermogenselektronica sinds kort uitgebreid met onderzoek naar led-technologie.

Humphreys heeft een defectdichtheid gehaald van rond de 108 per vierkante centimeter. Dat is niet uitzonderlijk. Germain: ’Wij zitten op ook 108 per vierkante centimeter. We steken er voorlopig geen moeite in om dat verder naar beneden te brengen. We kiezen ervoor de efficiëntie vooral op te krikken door de externe kwantumefficiëntie te verbeteren, dus door zo veel mogelijk van het opgewekte licht nuttig te gebruiken.‘

Ondanks de vergelijkbare defectdichteid heeft Humphreys echter een efficiëntierecord gezet. Dat feit noemen de media nauwelijks, terwijl het zonder twijfel nieuwswaardig is. Humphreys‘ groep haalt uit zijn GaN-laag een interne kwantumefficiëntie (lichtopbrengst ten opzichte van toegevoerde energie) van 40 procent. ‘s Werelds grootste led-lampenmaker Cree haalt 70 procent op een siliciumcarbide substraat, maar de Britse leds op basis van Humphreys‘ ontdekking zijn waarschijnlijk een stuk goedkoper te fabriceren.

Het is ten slotte vermeldenswaardig dat er al bedrijven zijn die GaN op silicium in hun assortiment hebben. Het Amerikaanse Nitronex maakt er power-schakelingen mee en Sanken heeft de droom van de led-industrie in wezen al vervuld, al is het onduidelijk welke wafergrootte de Japanners hanteren. Wafers met een diameter van 2 inch zijn veel makkelijker te ’bestuken‘ met GaN dan 6 inch (150 mm) exemplaren. Het lijdt echter geen twijfel dat er nog veel onderzoek te doen valt om verbeteringen te bewerkstelligen.

Opsnoepen

Het vervelende is dat wie de berichtgeving erop naslaat, de indruk krijgt dat Humphreys een wereldprimeur claimt met de bufferlaagstrategie. Dat is niet zo en de hoogleraar is zelf de eerste om dat te onderkennen. ’Om de materiaalstress onder controle te krijgen en de defectdichtheid te reduceren, hebben we zonder meer sterk voortgebouwd op het werk van anderen‘, laat hij weten in een schriftelijke reactie. ’Ik ben er echter van overtuigd dat wij dat beter hebben gedaan dan wie dan ook. Ik ben me niet bewust van onderzoek dat een hogere interne kwantumefficiëntie heeft weten te halen.‘

Humphreys is dan ook niet gelukkig met de berichtgeving in de media. ’Sommige stukken deden me huiveren‘, zegt hij over artikelen van journalisten die blijkbaar fout op fout hebben gestapeld door verkeerd over te schrijven en Humphreys niet te contacteren. Anderen namen die moeite wel, maar toonden weinig interesse in de wetenschappelijke nuances. Dat is slechte journalistiek, al zou je ook vraagtekens kunnen plaatsen bij de hyperbolen in het Cambridge-persbericht die een en ander hebben aangezwengeld.

Eigenlijk het enige puntje van kritiek dat je zou kunnen hebben op Humphreys is dat hij mogelijk wat al te optimistisch is over de commerciële toepasbaarheid van zijn werk. Kant-en-klare devices heeft hij immers niet laten zien, alleen efficiëntiemetingen. De Engelsman denkt echter dat zijn lampjes commercieel nu al levensvatbaar zouden zijn, gezien het kostenaspect. ’Maar natuurlijk zouden we de prestaties nog verder willen opkrikken.‘

Leds hebben grote voordelen en zullen zonder twijfel een groter aandeel van de lichtmarkt opsnoepen, zeker nu de EU de gloeilamp in de ban heeft gedaan. Het is echter niet duidelijk of het werk van Humphreys daar een significante bijdrage aan gaat leveren, al is dat zonder meer een mogelijkheid.