L’avenir de l’éclairage à semi-conducteurs pourrait bien résider dans un processus aussi simple que la fusion des couleurs. Une étude récente propose une solution innovante pour combler le « fossé vert », un défi majeur dans le développement de l’éclairage à semi-conducteurs.
Le défi du « fossé vert »
La fusion des couleurs est un processus qui consiste à combiner deux ou plusieurs couleurs : le rouge et le vert donnent du jaune, le bleu et le rouge donnent du violet, le rouge, le vert et le bleu donnent du blanc. Ce processus est essentiel pour l’avenir de l’éclairage à semi-conducteurs.
Actuellement, la lumière blanche est obtenue par conversion descendante de phosphore, mais la fusion des couleurs LED a une efficacité maximale théorique plus élevée, nécessaire pour atteindre les objectifs d’efficacité énergétique du DOE pour 2035.
Malgré le potentiel d’efficacité des sources LED à fusion de couleurs, un défi majeur subsiste : le vert. Le «fossé vert» est décrit comme l’absence de LED vertes appropriées. Les LED vertes actuelles sont fabriquées à partir de nitrure III hexagonal de pointe, mais n’atteignent qu’un tiers des objectifs d’efficacité définis dans la feuille de route du DOE pour 2035.
Une nouvelle étude prometteuse
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign ont trouvé une voie potentielle pour combler le «fossé vert». Ils rapportent une couche active de nitrure III cubique émettant du vert avec une efficacité quantique interne (IQE) de 32%, soit une efficacité plus de 6 fois supérieure à celle rapportée dans la littérature pour les couches actives cubiques conventionnelles.
« L’objectif ultime est de tripler l’efficacité des diodes électroluminescentes blanches d’aujourd’hui. Et pour cela, nous devons combler le fossé vert dans le spectre, ce qui n’est pas une tâche facile. Il faut de l’innovation. Et nous montrons l’innovation du côté des matériaux en utilisant des nitrures cubiques», indique le professeur d’ingénierie électrique et informatique Can Bayram, qui a dirigé ce travail aux côtés de l’étudiant diplômé Jaekwon Lee.
Les limites de la conversion descendante de phosphore
Les LED blanches les plus efficaces utilisent des diodes électroluminescentes bleues avec un revêtement de phosphore de terres rares qui convertit la lumière bleue en jaune, vert et/ou rouge, ce qui permet d’obtenir un éclairage blanc. Ce processus est appelé conversion descendante de phosphore. Les phosphores sont des matériaux luminescents qui peuvent absorber et convertir des photons à haute énergie (comme la lumière bleue) en lumière à énergie plus faible/longueur d’onde plus longue (comme le vert, le jaune et le rouge, respectivement).
Ce processus de conversion descendante de phosphore a des limites. Le processus de conversion descendante est intrinsèquement inefficace car les photons à haute énergie doivent perdre de l’énergie (sous forme de chaleur) pour être convertis en photons d’autres énergies. Actuellement, les LED blanches utilisées dans l’éclairage à semi-conducteurs génèrent sept fois plus de chaleur que de lumière.
De plus, les phosphores sont chimiquement instables et ajoutent des coûts significatifs de matières premières et d’emballage (d’environ 20%) à l’appareil LED. Malgré l’augmentation de l’efficacité des LED bleues ces dernières années, l’éclairage à semi-conducteurs utilisant des phosphores n’a qu’une efficacité lumineuse maximale théorique de 255 lumens/watt (lm/W), tandis que la fusion des couleurs LED peut atteindre une efficacité lumineuse maximale théorique de 408 lm/W.
Le défi de l’efficacité des LED vertes
De nombreuses approches établies pour les LED vertes sont touchées par une «chute d’efficacité» à des densités de courant élevées. Il a été difficile d’obtenir une émission verte à haute efficacité avec le nitrure III hexagonal traditionnel, même en augmentant la teneur en indium – un élément coûteux nécessaire pour l’émission verte – ce qui conduit à des densités de défauts plus élevées et à une chute d’efficacité. Cela représente un défi fondamental pour l’adoption généralisée de l’éclairage à semi-conducteurs.
« Nous avons trouvé un moyen de synthétiser du nitrure de gallium cubique de haute qualité, à faible densité de défauts, en phase unique, en utilisant une technique de piégeage de phase à rapport d’aspect que le groupe Bayram a inventée », explique Jaekwon Lee.
Dans le piégeage de phase à rapport d’aspect, les défauts, ainsi que la phase hexagonale indésirable, sont « piégés » à l’intérieur des rainures de sorte que la surface de la couche active est un matériau parfait en phase cubique. La phase cubique et hexagonale fait référence à la façon dont les atomes dans les matériaux s’organisent.
Ici, les chercheurs ont développé un système de nitrure III cubique qui peut permettre des LED vertes très efficaces, sans chute, avec une IQE de 32% et seulement 16% de teneur en indium. C’est la plus haute IQE rapportée pour des puits cubiques avec environ 30% moins d’indium que la quantité nécessaire dans un puits hexagonal traditionnel.
La recherche dans le groupe Bayram s’appuie sur l’héritage de l’Illinois en matière de technologies LED, qui a commencé avec le professeur de longue date de l’Illinois, Nick Holonyak, Jr., qui a inventé la diode électroluminescente (LED) qu’il a démontrée le 9 octobre 1962.
Légende illustration : Voyant LED vert – Crédit : The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign
Article : « Green-emitting cubic GaN/In0.16Ga0.84N/GaN quantum well with 32% internal quantum efficiency at room temperature » – DOI: 10.1063/5.0179477
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