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En esta nueva investigación, los LED de nitruro de galio (GaN) y su fuente de alimentación se integran en el mismo chip monolítico.

Los diodos emisores de luz GaN ahora se pueden fabricar demostrablemente en el mismo chip que sus circuitos de suministro de energía, utilizando técnicas de fabricación estándar de la industria, nada menos.

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania publicaron recientemente un documento sobre este hito, Alternando los diodos emisores de luz de nitruro de corriente III con rectificadores de diodo de barrera Schottky en chip, en transacciones IEEE en dispositivos electrónicos.

Imagen de transacciones IEEE en dispositivos electrónicos

Es importante tener en cuenta primero que estos investigadores no desarrollaron un LED que funciona directamente con corriente alterna. Lo que hicieron fue desarrollar un método práctico para integrar un LED de nitruro de galio y un simple puente rectificador en el mismo chip. El resultado innovador de este trabajo significa que estos LED se pueden ejecutar directamente desde el tomacorriente de pared de 110 VCA, sin necesidad de circuitos integrados rectificadores por separado.

¿Porqué ahora? (¿Y no antes?)

Parece una idea simple. Los circuitos mucho más complejos que los LED y los rectificadores se han colocado en chips individuales durante décadas.

El profesor Jian Xu de Penn State, quien dirigió el proyecto fuera del Grupo de dispositivos fotónicos y optoelectrónicos de la universidad, explica la dificultad. "El nitruro de galio (GaN) es un sistema de materiales bastante nuevo", dice Xu. “La tecnología ha madurado solo recientemente; por eso la integración en un solo chip es una idea muy nueva ".

La idea de un LED de CA ya se ha probado antes. De hecho, el autor principal del artículo, Jie Liu, ha estado trabajando con LED de CA GaN durante años. Su tesis de 2013, Tecnología de diodos emisores de luz basados ​​en nitruro de galio basado en puntos cuánticos coloidales y de corriente alterna, exploró el concepto de LED basados ​​en GaN

Fotos de (a) un LED de CA microscópico encendido y no iluminado integrado con un diodo Schottky de la disertación del Dr. Jie Liu

Sin embargo, los intentos anteriores requerían estructuras LED especializadas, procesos de fabricación complicados no escalables o LED ineficientes.

Resolver el problema de ineficiencia fue la clave del éxito del nuevo proyecto. Cuando se construyen chips de silicio, generalmente se emplea un proceso de "química húmeda", como el tratamiento con ácido fluorhídrico. Pero, como Xu explicó, GaN es demasiado difícil para que eso funcione. En cambio, debe emplearse una técnica de "grabado en seco", como el grabado por plasma acoplado inductivamente.

Pero el grabado en seco por sí solo dejó defectos en la superficie del LED que causan la ineficiencia. Al final, se descubrió que aunque el grabado húmedo no es lo suficientemente fuerte como para formar el chip, podría usarse para eliminar los defectos que deja el grabado seco. Xu y su equipo finalmente desarrollaron una secuencia de grabado en seco y grabado en húmedo que produjo dispositivos de alta calidad y bajo defecto.

LED más robustos

Típicamente, un LED está hecho de materiales robustos como GaN, pero el circuito del controlador está compuesto de silicio. El silicio no es tan resistente como GaN, por lo que el circuito del controlador suele ser lo que hace que el dispositivo requiera reemplazo. Dado que todos estos dispositivos son GaN, serán GaN resistentes y resistentes de principio a fin.

Xu también señaló que la integración del sistema de controlador del LED (o fuente de alimentación) también podría reducir en gran medida los costos de fabricación. Esto se debe a que el sistema de controlador es más de la mitad del costo total de una bombilla LED.

¿Qué hay dentro del chip?

En el diagrama a continuación, la parte superior izquierda esboza el circuito completo de GaN. Aquí, vemos cuatro diodos de barrera Schottky (SBD) en un circuito rectificador de puente.

Se aplica una CC pulsante a la matriz de LED a la derecha. Si la cantidad de LED se elige correctamente, la caída de voltaje en cada uno de ellos será suficiente para que cada uno de ellos funcione correctamente.

Imagen de transacciones IEEE en dispositivos electrónicos

Por supuesto, la salida del puente es DC pulsante, por lo que la luz que emiten los LED tendrá un parpadeo de 120 hertz. Esto hará que cualquier producto construido con esta tecnología sea más adecuado para la implementación en exteriores. En ese tipo de aplicación, la calidad de la luz es secundaria a los bajos costos de mantenimiento.

Sin embargo, es fácil imaginar un filtro externo conectado a productos futuros para suavizar los pulsos, lo que hace que estos dispositivos sean adecuados para aplicaciones interiores más elegantes.

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¿Estás trabajando en una aplicación que podría beneficiarse de esta tecnología? Cuéntanos sobre esto en los comentarios a continuación.