Présentation
Auteur(s)
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Georges ZISSIS : Professeur des Universités - Université de Toulouse, UPS, INPT, LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d'Énergie)
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Xavier DE LOGIVIERE : Fondateur et animateur de la Communauté Gallium Nitride Community (Linkedin)
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Lire l’articleINTRODUCTION
En 1968, la première diode électroluminescente commercialisée produisit une lumière rouge d'à peine 1 mlm. Aujourd'hui, des LED blanches de haute brillance sont disponibles sur le marché et produisent plusieurs centaines de lumens. Il s'agit d'une vraie révolution : en effet, le flux lumineux produit double tous les 18-24 mois et cela depuis presque 30 ans maintenant. Les LED vont-elles remplacer les lampes classiques (incandescence et décharge électrique) ? Dans ce dossier, nous prenons en compte non seulement des considérations technologiques et scientifiques, mais nous plaçons cette source de lumière innovante dans les contextes énergétiques et économiques contemporains.
In 1968, the first commercially available light-emitting diode generated just 1 mlm of red light. Today, white high-brightness LED are available on the market and produce several hundred lumens. This is a real revolution : indeed, the light output quantity doubles every 18-24 months and this for almost 30 years now. LED will replace conventional lamps (incandescent and electric discharge) ? In this paper we try answer this question by taking into account not only technological and scientific considerations, but also we will place this innovative light source in the energy and economic today's contexts.
Diodes électroluminescentes, Éclairage, Lumière blanche, Photonique
Light emitting diodes, Lighting, White light, Photonics
Domaine : Bâtiment, Urbanisme, Énergie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Photonique, Semi-conducteurs, Diodes électroluminescentes
Domaines d'application : Éclairage général, signalisation, éclairage architectural et décoratif
Principaux acteurs français :
Pôles de compétitivité : DERBI, Route des Lasers
Centres de compétence : Cluster Lumière (Lyon), Cluster Bâtiment Économe (Toulouse)
Industriels : Fabricants des sources de lumière ; Fabricants de systèmes d'éclairage ; Bureau d'études sur l'éclairage : producteurs d'énergie ; producteurs d'alimentations électroniques ; producteurs de luminophores
Institutionnels : ADEME, Syndicat de l'Éclairage, Association Française de l'Éclairage, CEA-LETI, Services techniques de ville et syndicats d'électrification
Autres acteurs dans le monde : Industrie du semi-conducteur et systèmes associés, industrie mondiale de l'éclairage
Contact : [email protected] et [email protected]
L'émission de lumière par les semi-conducteurs est un phénomène connu depuis plus de 100 ans.
« Messieurs : pendant l'investigation du passage asymétrique du courant au travers d'un contact de carborundum ou d'autres substances, un phénomène bizarre a été observé. En appliquant une différence de potentiel de 10 V entre deux points du cristal de carborundum, ce dernier a émis une lumière jaunâtre... ».
C'est ainsi qu'en 1907, le capitaine Henry Joseph Round (Marconi Co, UK) rapporta la première émission de lumière par un cristal semi-conducteur : le carborundum, mieux connu aujourd'hui sous le nom « carbure de silicium (SiC) » . Le premier brevet sur le sujet a été déposé en 1929 par un radio-technicien Russe Oleg Vladimirovich Losev . Cependant, sans explication physique du phénomène qui semblait être intermittent et capricieux, cette découverte fut rapidement oubliée.Par ailleurs, les efforts ont été concentrés sur l'émission du SiC sans beaucoup de réussite car, comme nous le savons aujourd'hui, il s'agit d'un semi-conducteur à gap indirect difficile à maîtriser. Ainsi, bien que de la lumière bleue (les LED blanches de puissance utilisent de la lumière bleue émise par la jonction couplée à un luminophore) a été obtenue depuis 1923 par Lossev , l'efficacité de conversion à 470 nm n'a jamais dépassé 0,03 % . Ce n'est qu'à partir des années 1954 que les chercheurs s'intéressent aux jonctions utilisant des matériaux des groupes III-V. Ainsi, en 1962, Nathan et al. rapportent la création d'une diode émettant dans le domaine de l'infrarouge basée sur une jonction GaAs .
Dans cette même année, Nick Holonyak et S.F. Bevacqua, consultants à General Electric signent « l'acte officiel » de naissance de la diode électroluminescente émettant dans le rouge (une jonction faite d'un alliage GaAs et GaP) .
En 1968, la première LED produisait une très faible lumière rouge d'à peine 0,001 lm ; impossible même de songer à une application éclairagiste. Bien que le flux lumineux augmentait avec une vitesse frénétique, les LED se cantonnaient à des applications signalétiques. En 1972, George Craford invente la LED jaune qui est 10 fois plus brillante que les LED rouges oranges existantes.
Bien qu'Herbert Maruska (RCA Labs) a démontré en 1972 la possibilité d'obtenir une intense émission bleue violette par un film mince de GaN dopé au magnésium , l'histoire attribuera l'invention de la LED bleue de puissance, basée sur une jonction InGaN/n-GaN avec une efficacité de conversion électricité-lumière bleue de 10 %, à Shuji Nakamura de Nichia . Cette annonce ouvre la voie vers la production de composants de puissance et de la lumière blanche.
L'éclairage devient ainsi une cible accessible en offrant une voie de croissance inespérée à l'industrie du semi-conducteur déprimée par la crise des télécommunications vers la fin du XXe siècle.
Incités par l'industrie, les pouvoirs publics ont massivement investi dans la R pour la réalisation de systèmes d'éclairage à LED fiables et efficaces. Une longue phase de maturation démarrait.
Aujourd'hui, tous les indicateurs montrent que cette phase touche à sa fin. Ainsi, les LED blanches, destinées aux applications de l'éclairage, se surpassent sans cesse ; les records sont battus régulièrement : le 16 mai 2011, l'américain Cree annonçait une LED blanche (blanc froid dont la température de couleur est 4 700 K) de puissance avec une efficacité de 231 lm/W à 350 mA et 25 oC.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de mai 2004 par Georges ZISSIS
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Du composant au système d'éclairage4. Fabrication des LED et défis associés
Le processus de fabrication des LED est très complexe. La figure 16 illustre très sommairement le processus allant du substrat au composant LED.
4.1 Substrats et matériau actif
L'élément de base du composant est le « substrat » sur lequel la jonction va être construite. Les matériaux le plus souvent utilisés sont l'arséniure de gallium pour les longueurs d'onde entre 570 et 760 nm et majoritairement le saphir pour les longueurs d'onde entre 400 et 500 nm.
En effet, le saphir (Al2O3 monocristallin) est le substrat le plus utilisé dans la fabrication de LED blanches sur un substrat de 4′′, on peut réaliser jusqu'à 5 000 LED. Ce saphir est obtenu par méthode de croissance Czochralski (technique utilisée pour le silicium et l'arséniure de gallium monocristallin). Cette méthode s'avère coûteuse, car la température de fusion du saphir est supérieure à 2 000 oC et oblige à utiliser des creusets en iridium (famille du platine) ; autre inconvénient, les diamètres maxima des wafers sont de l'ordre de 6′′. D'autres techniques sont en passe de s'imposer, car elles permettent l'obtention de cristaux de plus grands diamètres.
Aujourd'hui, d'autres matériaux sont à l'essai. Ainsi, pour des raisons d'accord de paramètre de maille entre le substrat et la couche épitaxiale, le nitrure de Gallium (GaN) massif est le candidat parfait. Malheureusement, son coût de fabrication et des diamètres inferieurs à 4′′ le pénalise fortement. Le défi est cependant relevé par l'industrie. Il est obtenu généralement par Hydrid Vapour Phase Epitaxy (HVPE).
La tentation d'utiliser des substrats silicium pur (Si) est grande : c'est un substrat bon marché qui existe dans des diamètres de 300 mm et plus ; de plus, les équipements de fabrication existent déjà, mais les tentatives de fabrication des LED basées sur ce substrat sont encore aux balbutiements.
Le carbure de silicium (SiC) fut le premier matériau utilisé pour obtenir l'électroluminescence (cf. encadré « Un peu d'histoire »). Aujourd'hui, il sert aux semi-conducteurs de puissance et les lasers et il est peu utilisé pour les LED. Ce substrat est 6 fois plus cher que le saphir et 40 fois plus cher que le silicium.
Des tentatives sont faites pour utiliser des substrats en verre, en germanium (Ge), en oxyde de zinc (ZnO), ou même...
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