Actualmente, 80 a 90% dos LEDs fabricados são feitos com o recurso a um substrato de Safira, que é uma variedade da forma monocristalina de óxido de alumínio (Al2O3) podendo ser encontrada na natureza sob a forma de gemas ou produzida de forma sintética para uma infinidade de aplicações.
Os fabricantes de substrato cortam a safira em “wafers” ou bolachas que são usadas no fabrico de LEDs, contudo o substrato de safira tem limitações que vão para além do seu preço elevado. De facto, os LEDs fabricados sobre substrato de safira têm limites físicos na eficiência lumínica obtida.
A eficiência lumínica do LED é o produto da eficiência quântica interna e da eficiência na extracção da luz.
Os LEDs fabricados sobre substrato de safira têm vindo a melhorar a sua eficiência mas esta será sempre limitada devido ao chamado lattice mismatch, ou seja, a incompatibilidade de entrelaçamento entre o substrato de safira e o material dos LEDs, nitreto de gálio (GaN).
Os LEDs são fabricados com recurso a máquinas tipo MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition) que, por um processo epitaxial, depositam finas camadas de átomos sobre uma bolacha semi-condutora.
No caso do substrato de Safira, o lattice mismatch é superior a 16%, e quanto menor for este valor maior será a eficiência quântica interna. O futuro dos LEDs em aplicações que exigem um elevada eficiência energética passa então pelo uso de substratos com baixo valor de lattice mismatch.
Substrato de Nitreto de Gálio (GaN): Tem um lattice mismatch de 0% e, como tal, seria o substrato ideal. No entanto, existem dificuldades na implementação deste tipo de substrato devido ao seu elevado custo e, principalmente, devido à dificuldade em obter crescimento de cristais de elevada qualidade. Está actualmente numa fase de desenvolvimento, contudo, é já utilizado no fabrico de díodos lazer mas não nos LEDs.
Substrato de Oxido de Zinco (ZnO): Tem um lattice mismatch de 2,2% o que é muito bom. Porém, sofre de elevada volatilidade a temperaturas elevadas o que implica que durante o fabrico as temperaturas sejam mantidas em valores baixos, tornando os custos do equipamento de fabrico muito dispendiosos. Está ainda numa fase de desenvolvimento.
Substrato de Carboneto de Silício (SiC): Tem um lattice mismatch de 3,5% sem nenhum restringimento no seu fabrico. É um substrato patenteado pela CREE e usado no fabrico próprio de LEDs.
Prevê-se que os LEDs serão a tecnologia predominante em aplicações de iluminação, quer para uso doméstico quer profissional, sendo o substrato de safira (Al2O3) o mais utilizado de momento. Contudo, dadas as suas limitações será forçosamente substituído por um substrato mais eficiente.
Se, até agora, o uso de LEDs em produtos como ecrãs de televisão ou telemóveis não obrigava à obtenção de elevadas eficiências lumínicas, a sua utilização na iluminação veio trazer um novo grau de exigência na eficiência lumínica dos mesmos. A procura por um substrato que permita obter o mais alto nível de eficiência lumínica dos LEDs está em curso.
O substrato feito de Carboneto de Silício é o futuro, mas o facto de estar patenteado por um fabricante (CREE) obriga a que os restantes fabricantes procurem uma alternativa, correndo o risco de ficarem para trás se não o conseguirem.
Paulo Araújo
Aura Light Portugal