Éclairage à base de LEDs - Composants LED

Bien qu’elles aient envahies notre quotidien en moins d’une décennie, les Diodes Électroluminescentes (DEL ou plus communément appelée « LED » pour « light emitting diode ») sont le fruit d’une évolution lente et chaotique issue autant du hasard, de la curiosité intellectuelle que de la recherche scientifique et technologique. De la première observation en 1907 jusqu’à l’avènement de l’éclairage à LED efficace à la fin des années 2010, leur développement est issu d’une série d’innovations principalement dans le domaine de la science des matériaux et de la physique des semi-conducteurs. Par essence monochromatiques, les LEDs ont également pu intégrer le domaine de l’éclairage et produire de la lumière blanche par différentes solutions technologiques, la principale étant constituée d’une association « LED bleue + phosphore ».

Chaque étape de la fabrication d’une LED relève d’un véritable défi technologique. Qu’il s’agisse de la production des substrats, des dopants, de l’intégration, de la réalisation, de la résistance aux contraintes thermiques, électriques ou mécaniques au niveau de la puce, au niveau du composant ou de son intégration dans un système, des connexions électriques (bonding) ou de son encapsulant, chaque interface, chaque matériau et chaque fonction (émission de lumière bleue par la puce, excitation du phosphore et émission de lumière blanche, diffusion et protection par l’encapsulant...) constituent des étapes à part entière dans l’élaboration d’une LED.

La recherche et la mise en œuvre de la gestion énergétique des LEDs constituent sans doute le point critique le plus fondamental de l’étude des LEDs, puisqu’une augmentation de la chaleur induit à la fois une baisse de l’efficacité énergétique, mais aussi une chute considérable de sa durée de vie.

L’ensemble des efforts portés dans ce domaine contribue depuis les années 1990 à une augmentation accrue de la robustesse, de la fiabilité, de la durée de vie et de l’efficacité lumineuse des LEDs, tout en mettant en œuvre des processus rendant possible la production en série avec des niveaux de reproductibilité considérables.

Par ailleurs, l’industrie des semi-conducteurs, et donc également celle des LEDs, avance inexorablement vers l’impasse d’une équation impossible à résoudre, où la production de matière première (notamment le gallium et l’indium) reste considérablement inférieure aux besoins présents. Les projections à court terme ne font que confirmer cette prochaine pénurie où la Chine se présente avec un quasi-monopole autant en termes de ressources que de fabrication.

Après une présentation des principes fondamentaux des LEDs précédée d’un bref historique, cet article aborde la LED du point de vue du composant, des matériaux et de l’encapsulation avant d’introduire les notions d’efficacité et les techniques de production de lumière blanche à partir de ce composant intrinsèquement monochromatique.

Le concept, les normes et les définitions concernant la durée de vie des LEDs sont également abordés.

Enfin, parallèlement au développement et à l’amélioration de la technologie en place, notamment avec les Cristaux Photoniques (CP), d’autres technologies émergent, telles que les LEDs à nanofils ou les Quantum Dots LEDs (QDLEDs ou QLEDs), et constitueront probablement les issues technologiques des LEDs de demain avec des efficacités et des durées de vie bien plus élevées.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.