Des LED plus lumineuses et plus efficaces qui ne s’affaissent pas

Les diodes électroluminescentes (LED) sont omniprésentes dans la vie moderne, des smartphones à l’éclairage domestique. Mais les LEDs actuelles présentent une limitation majeure : lorsqu’on essaie de les rendre plus lumineuses en augmentant leur puissance, elles perdent de leur efficacité. Une équipe de chercheurs de l’université de Nagoya, au Japon, a trouvé un moyen de rendre les LEDs plus lumineuses tout en maintenant leur efficacité. Leur recherche promet de réduire le coût et l’impact environnemental de la production de DEL tout en améliorant les performances dans des applications telles que la communication par lumière visible et les lunettes de réalité virtuelle (RV).

« L’innovation de ce travail réside dans une meilleure compréhension des effets de la polarisation, une propriété intrinsèque de la structure de la couche de nitrure de gallium/nitrure de gallium d’indium (GaN/InGaN) qui est nécessaire à la production de lumière », a déclaré Markus Pristovsek, chercheur principal.

Les LED InGaN représentent la source de lumière la plus efficace au monde, bien qu’elles fonctionnent généralement à de faibles niveaux de puissance. Pour obtenir une lumière plus vive, il est nécessaire d’augmenter leur puissance. Cependant, une augmentation de la puissance fournie à la LED entraîne une diminution de son efficacité, un phénomène connu sous le nom de baisse d’efficacité.

Une façon de surmonter ce phénomène est d’augmenter la surface de la LED, ce qui permet d’obtenir plus de lumière, mais nécessite une puce plus grande. Par conséquent, on obtient moins de LED à partir d’une plaquette – le morceau fin et plat de matériau semi-conducteur composé d’InGaN qui sert de base à la fabrication des dispositifs à LED. Il en résulte des coûts de production plus élevés et un impact plus important sur l’environnement.

Les chercheurs peuvent réduire la baisse d’efficacité en inclinant les couches d’InGaN et en coupant la plaquette dans différentes orientations, ce qui modifie les propriétés du cristal résultant. La propriété la plus importante ainsi modifiée est connue sous le nom de « polarisation ». Bien que les orientations inclinées à faible polarisation fassent l’objet de recherches depuis plus de 15 ans, les LEDs InGaN fabriquées selon ces orientations ont toujours présenté une efficacité inférieure à la moitié de celle des LED standard à forte polarisation.

L’étude de Pristovsek et Nan Hu, du Center for Integrated Research of Future Electronics (CIRFE) de l’université de Nagoya, a révélé qu’une polarisation plus faible n’est utile que si elle pointe dans la même direction que celle des LEDs standard. Sur la base de ces résultats, ils ont fait croître des LEDs sur un substrat de saphir bon marché dans l’orientation dite (10-13), une orientation avec une polarisation plus faible mais dans une direction similaire à celle des LEDs standard. Ces LEDs (10-13) sont plus efficaces à une puissance plus élevée.

Cette découverte suggère aux fabricants des moyens innovants pour développer les technologies LEDs de la prochaine génération, telles que des écrans micro-LED plus efficaces et plus lumineux pour les appareils mobiles et les téléviseurs à grand écran. Une densité de courant plus élevée pourrait également permettre de nouvelles applications dans l’éclairage automobile et l’éclairage industriel spécialisé, tandis que des vitesses de commutation plus rapides pourraient trouver des applications dans les technologies de communication en lumière visible et les lunettes de réalité virtuelle.

« Il est peu probable que la recherche future trouve une meilleure orientation, en particulier sur les substrats de saphir économiques, car seules deux directions d’inclinaison peuvent être adaptées », a conclu M. Pristovsek. « Cependant, il existe d’autres moyens de fabriquer des LEDs (10-13) avec moins de défauts sur le saphir et peut-être même sur le silicium. Mais les autres orientations obtenues jusqu’à présent sur le saphir ou le silicium sont pires, parce qu’elles sont intrinsèquement rugueuses, qu’elles augmentent la quantité de polarisation ou qu’elles ont le mauvais signe de polarisation. »

Légende illustration : Une puce LED sous le système de cartographie par photoluminescence (Credit : Markus Pristovsek)

Article: »How to Make Semi-Polar InGaN Light Emitting Diodes with High Internal Quantum Efficiency: The Importance of the Internal Field’ – DOI : 10.1002/lpor.202400529

Source : Université de Nagoya – Traduction Enerzine.com