Prix Nobel : Dels bleues, quel impact ?
Claude WEISBUSH, Grand Prix SFO Léon Brillouin 2011


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Claude Weisbuch est directeur de recherche CNRS au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l’Ecole Polytechnique depuis 1997 (émérite depuis 2010). Il est “distinguished professor” au Département de Matériaux de l’Université de Californie Santa Barbara. Il est aussi fondateur et directeur scientifique d’une startā€up, Genewave, dédiée au diagnostic moléculaire des maladies infectieuses.




NDLR : L'usage du grand public est d'utiliser le terme Led (Light Emitting Diode) au lieu de Del (Diodes
Émettrice de Lumière ou Diode Electro-luminescente)


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Carte du monde la nuit réalisée avec les données recueillies par le satellite Suomi NPP satellite en avril et octobre 2012 /NASA Earth Observatory/NOAA NGDC.
Les lampes à DELs vont d’une part diminuer d’au moins un facteur 2 la pussance électrique consommée dans les pays où le réseau électrique existe, d’autre part apporter l’éclairage dans les parties sombres et cependant habitées qui n’ont pas de réseau électrique.


Le prix Nobel de physique 2014 a été décerné conjointement à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura "pour l'invention des diodes émettrices de lumière bleues (DELs) efficaces qui ont permis des sources de lumière blanche intenses et économes en énergie". Bien dans l'esprit d'Alfred Nobel, ce prix récompense une invention bénéficiant à l'humanité; utilisant des DELs bleues, des sources de lumière blanche nouvelles existent à partir d’un nouveau concept physique, celui de la transformation directe d’électricité en photons, avec un rendement théorique possible de 100%. L'avènement de lampes à DEL nous procure maintenant des alternatives plus durables et plus efficaces aux sources de lumière plus anciennes.
Lorsque Akasaki, Amano et Nakamura ont produit des sources semi-conductrices de lumière bleue dans le début des années 1990, ils ont déclenché une transformation fondamentale de la technologie d'éclairage. Des DELs rouges et vertes avaient été crées depuis longtemps, mais sans lumière bleue, les lampes blanches à base de DELs ne pouvaient exister. Malgré des efforts considérables, à la fois dans la communauté scientifique et dans l'industrie, la LED bleue était restée un défi pour plus de deux décennies. Ils ont réussi là où tout le monde avait échoué. Akasaki travaillait avec Amano à l'Université de Nagoya, tandis que Nakamura était employé à Nichia Chemicals, une petite entreprise à Tokushima. Leurs inventions ont été révolutionnaires et à contre courant.

C’est que les nitrures qu’ils ont utilisés n’apparaissaient pas du tout comme un bon matériau candidat pour obtenir des dispositifs émetteurs de lumière à haute efficacité quantique (EQ, fraction de photons émis dans la DEL par paire électrons trous injectée) dans le bleu en raison du manque de substrats sur lesquels déposer les matériaux. La seule possibilité était le saphir, dont la maille diffère de 14 % de celle de GaN et le coefficient de dilatation thermique de 34%. Les nitrures vont donc souffrir de grandes déformations de structure cristalline. Il est alors tout à fait étonnant qu'une grande EQ puisse être obtenue étant donné les fortes densités de défauts cristallins ponctuels et linéaires (dislocations) présents dans les matériaux nitrures élaborés sur saphir qui vont agir comme centres de recombinaison non radiative. Il y avait aussi une très grande difficulté à obtenir une conductivité p à base de trous, à tel point que l’on pensait que les défauts intrinsèques inhérents à la croissance cristalline empêcheraient à jamais une telle conductivité de type p.
Dans les années 1980, les matériaux II-VI (Séléniure de Zinc en particulier) semblaient donc un bien meilleur pari en raison de la disponibilité de substrats adaptés (l’Arséniure de gallium) et d’une bonne efficacité quantique initiale.

A rebours de la ruée sur les matériaux II-VI, Akasaki, Amano et Nakamura ont relevé les défis des nitrures et ont déjoué leur pronostic sombre en résolvant un à un les défis posés: Les avancées majeures ont été : (1) la croissance à basse température d’une couche de nucléation microcristalline permettant absorber une partie du désaccord des réseaux cristallins entre le substrat de saphir et les nitrures; (2) le dopage p par des ions magnésium accepteurs activés par irradiation par faisceau d'électrons ou recuit thermique, qui suppriment la passivation due à l’hydrogène incorporé lors de la croissance ; (3) l’obtention de couleurs couvrant le spectre visible en variant la composition en Indium de la couche active ; (4) l’augmentation de l’EQ en confinant les porteurs de charges grâce aux barrières d’énergie obtenues en utilisant des empilements de couches d’hétéro structures GaN/InGaN/GaN ; (5) l’augmentation accrue de l’EQ par l’utilisation de couches ultra minces d’InGaN, les puits quantiques, (6) le contrôle de l'injection des porteurs et de leur confinement dans les couches actives grâce à des couches agissant comme barrières à électrons, ...

Des niveaux d’EQ relativement élevés ont été obtenus très tôt dans le développement de DELs à base d’alliage de nitrures de gallium et d’indium. L'efficacité quantique externe (EQE, fraction de photons émis à l’extérieur de la DEL par paire électrons trous injectée), de 9,3%, obtenue par Nakamura en 1995, associée avec une efficacité d’extraction (EE, fraction des photons émis à l’extérieur sur ceux émis à l’intérieur) de l’ordre de 30%, indique une EQ très respectable de l’ordre de 30%. Aujourd’hui, on obtient plus de 90%.

Il n’en reste pas moins deux mystères - et bonnes surprises en même temps - non encore complètement résolus : (1) l'origine de la forte EQ à basse injection de courant, malgré la très forte densité dislocations qui existe encore malgré toutes les améliorations apportées à la croissance, 106 à 108 dislocations par cm2, bien au-delà des valeurs qui pourraient donner une EQ "raisonnable" dans les autres matériaux semi-conducteurs. La localisation des porteurs de charges, qui évite la propagation vers les centres de recombinaison non radiatifs (NR) est l'explication la plus largement acceptée, mais les détails de la connexion de la localisation due aux fluctuations d’alliages avec une meilleure EQ est encore l’occasion de débats vigoureux. (2) L’autre grande surprise est que la dégradation des DELs en fonctionnement soit presque inexistante. Il était bien connu pour les semiconducteurs habituels que la dégradation des émetteurs de lumière était due à la génération par la lumière émise de défauts ponctuels (lacunes et atomes interstitiels) et linéaires (dislocations) dans la couche active pendant le fonctionnement des DELs et lasers opérant dans le proche infra rouge. Ce mécanisme de dégradation aurait du être encore plus efficace pour des émetteurs de photons visibles ou UV à cause de la bien plus grande énergie des photons émis. En fait, les nitrures, en contradiction avec émetteurs basés sur les matériaux II-VI, génèrent relativement peu de défauts et de dislocations: il semble que les nitrures sur saphir, orientés suivant l’axe c de leur structure hexagonale, n’ont pas de contrainte de cisaillement suivant ces plans et que les défauts et dislocations ont un glissement très empêché.

Pourquoi un tel impact, si rapide, des lampes blanches à DELs ? elles émettent une lumière blanche et brillante, elles sont durables et économes en énergie. Elles sont constamment améliorées, deviennent plus efficaces avec un flux lumineux plus élevé (mesuré en lumens) par unité de puissance d'entrée électrique (mesurée en watts). Le record le plus récent est un peu plus de 300 lm / W, à comparer à 16 lm / W pour les ampoules ordinaires et près de 70lm / W pour les lampes fluorescentes. Comme environ un quart de la consommation mondiale d'électricité est utilisée à des fins d'éclairage, les DELs contribuent à économiser les ressources de la Terre, en diminuant au moins de moitié la consommation d’électricité pour l’éclairage. La consommation des matériaux est également diminuée parce que les DELs durent jusqu'à 100.000 heures, à comparer à 1000 pour les ampoules à incandescence
et 10000 heures pour les meilleures lampes fluorescentes.




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© Economies pour US/Photo PVD
Ecole du soir en Inde, éclairée par des lanternes solaires à DELs. Leur impact est multiple, de la possibilité d’étudier le soir en groupe ou individuellement , à l’augmentation des horaires d’ouverture des commerces et administrations.

Comme cela a été reconnu par le comité Nobel, la lampe à DELs est très prometteuse pour augmenter la qualité de vie de plus de 1,6 milliard de personnes dans le monde qui n’ont pas accès aux réseaux d'électriques: en raison des exigences de faible puissance, elles peut être alimentées à très faible coût par un module photovoltaique de faible puissance. Jusqu'à récemment, dans ces régions, la lumière a été principalement produite par des lampes à kérosène. Pour une lampe produisant 10 lm et en consommant 0,05 l / h de kérosène, le volume de carburant au cours de la durée de vie de 50 000 heures d'une lampe LED concurrente est de 2500 l, à un coût de $ 2500. Ceci est à comparer aux 60 lm d'une lampe à DELs de 1 W, avec un coût de l'énergie de 50 $ en supposant un prix $ 1 / kWh, un coût typique d'une lampe avec son panneau photovoltaïque associé et la batterie. On obtient six fois plus de lumière pour 2% du coût (sans compter les avantages pour la santé améliorées de supprimer les risques d'incendie et la pollution intérieure). C’est aussi ce large impact social (en millions de lanternes solaires à DELs vendues par an, comprenant aussi une prise USB pour recharger les téléphones mobiles) qui a été reconnu cette année par le comité Nobel.



nobel2014
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura,
(Kyodo Nouvelles / AP)


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