LEDs blanches : les différentes technologies

LEDs blanches : les différentes technologies

1

Au cours des années 80, la technologie d’éclairage à phosphore connaissait son apogée, tubes, écrans de télévision, utilisaient le procédé d’une excitation du phosphore par une radiation UV bleue.

Dans le même temps, les LEDs (rouges et jaunes principalement) ont connu des évolutions, et même si le phénomène d’émission lumineuse à partir d’un semi- conducteur remontait au début du siècle, la maturité de la technologie ne permettait toujours pas de produire de LED bleue suffisamment performante pour être commercialisée.

C’est ce qui explique le tout récent développement des LEDs blanches (début des années 90).

NICHIA, une entreprise Japonaise de taille moyenne (200-300 personnes en 1975), fournissait à ses clients (fabricants de tube pour l’éclairage, de télévision) ce précieux phosphore. En 1979, un certain Shuji NAKAMURA fut recruté au sein de Nichia afin de développer de nouveaux produits et de prendre en charge le département R&D.

Shuji provenait du monde de l’électronique et du semi-conducteur, et se mit en quête de développer un semi conducteur ayant une émission bleue. De 1982 à 1989 il travailla sur différents types de wafer afin de développer une LED bleue suffisamment performante. Au cours de l’année 1989, il y avait 2 méthodes de fabrication des LEDs bleues, utilisant 2 types de matériaux : ZnSe et GaN.

La plus part des laboratoires travaillant dans ce domaine, pour ne pas dire tous, avaient choisi le ZnSe qui présentait à priori les meilleurs caractéristiques pour une émission bleue. NAKAMURA, préféra se concentrer sur la méthode utilisant le GaN pour une raison évidente : même s’il avait réussi à développer une LED bleue efficace en ZnSe, il se serait très vite heurté à une concurrence des plus rudes.

En 1991, après avoir modifié un réacteur de déposition chimique (MOCVD) acheté dans le commerce, en lui ajoutant un second courant de gaz inerte (perpendiculaire au courant de déposition), annihilant les effets néfastes de convection dans le réacteur, il obtint une qualité de cristal GaN inégalée jusque là.

Durant cette année, il pu alors développer une jonction de type N puis l’année suivante une jonction de type P, et c’est en 1993 qu’il fabriqua la première LED bleue suffisamment performante pour être commercialisée, suivie de la première LED blanche.

Ce fut le point de départ de deux des technologies de fabrication des LEDs blanches (utilisant une LED bleue plus un phosphore ou par reconstitution RGB).

2

Au cours des 15 dernières années, le processus de fabrication des LEDs blanches a constamment évolué, tant sur le plan de la qualité du matériau lui-même que sur sa mise en œuvre.

Cela fera l’objet d’un article à part entière, tachons ici de faire un descriptif du mode de fonctionnement d’une LED blanche utilisant les différentes technologies à notre disposition.

L’obtention de LED blanche (LED d’émission lumineuse la plus proche de celle du soleil) peut ainsi se faire de différentes manières :

Reconstitution RGB (3 semi conducteurs) LED bleue + phosphore jaune

LED bleue + multiples phosphores LED UV+ Phosphore RGB

Méthode de Schuber (PRS-LED)

3 Les technologies

3.1 Méthode RGB

Utilisée en premier car ne dépendant pas d’une technologie complexe, cette façon de produire du blanc consiste simplement à mélanger les trois couleurs primaires (Cf.

Fig. 1).

Néanmoins, son apparition correspond à celle de la technologie à phosphore dans la mesure où ces deux technologies nécessitent l’utilisation de LEDs bleues suffisamment performantes. Le pilotage des différentes sources (en général trois) peu s’avérer délicat, dans la mesure où l’on doit mixer des radiations rouges, vertes et bleues avec des proportions bien précises pour obtenir le « meilleur » blanc possible. Ainsi, depuis l’apparition des LEDs vertes et bleues au début des années 90, ce mode de fabrication du blanc a été très peu employé pour les LEDs haute luminosité ne requérant un quelconque changement de couleur.

Fig. 1

a b

De plus, il est difficile de qualifier ce type de LED par son IRC du fait que le spectre possède 3 pics significatifs avec beaucoup d’énergie au niveau de ces pics d’une part, et d’autre part ces pics sont très proches les uns des autres.

Finalement, même si cette technologie présente comme avantage de pouvoir obtenir une couleur blanche bien précise (en jouant sur les rapports de puissance des 3 couleurs), d’autre difficultés viennent s’ajouter à celles déjà décrites ci-dessus. Il s’agit notamment du fait que les LEDs rouges, vertes bleues ne réagissent pas de la même manière à des gradients de température, modifiant ainsi la couleur blanche déterminée au départ.

Autre problème, le vieillissement. Il n’est pas identique pour chaque couleur ce qui provoque également une évolution de la qualité de la lumière blanche au cours du temps.

3.2 LED bleue + phosphore jaune

C’est la méthode la plus couramment utilisée dans l’industrie pour la fabrication de LED blanche. Le spectre caractéristique de ce type de LEDs blanches provient du fait que le phosphore jaune excité par la radiation bleue, émet une couleur jaune. Il y a alors mélange entre le bleu initial du semi conducteur et le jaune issu de la phosphorescence (Cf. Fig. 2).

Depuis que NICHIA (Pr. NAKAMURA) a développé un process⁽¹⁾ de fabrication de LED bleues haute luminosité au début des années 1990, de nombreuses améliorations ont été apportées sur un grand nombre de point que nous discuterons plus loin.

Néanmoins on peut d’ores et déjà parler de l’aspect bleuté qu’ont parfois ce type de LED, provenant de la mauvaise mise en œuvre du phosphore jaune au dessus du semi conducteur bleu. Ici encore des améliorations ont été apportées afin de résoudre en partie ce problème et d’augmenter le rendement de la LED.

a b

Fig. 2

Suite à l’amélioration des semi conducteurs bleus, on a vu se développer des méthodes plus complexes à l’aide phosphores différents. La connaissance a donc du également évoluer du coté des phosphores, pour les améliorer et les diversifier.

Cette manière plus complexe de fabrication de lumière blanche est réservée à certains types d’applications qui requièrent des spectres bien spécifiques (de couleur de température plus chaude par exemple).

Ainsi, une LED bleue utilisée avec 2 phosphores rouge et vert permet d’atteindre un spectre bien spécifique, qui se rapproche de celui des LEDs RGB (Cf. Fig. 3)

Le fabricant LUMILED a quand a lui, développé une méthode utilisant deux phosphores jaune et rouge, améliorant ainsi considérablement l’indice de rendu des couleurs (Cf. Fig. 4), en atteignant un indice de plus de 94.

Fig. 3

b a

Fig. 4 (Lumiled⁽³⁾)

3.4 LED UV + phosphore RGB

Ce type de LED blanche fournit une des lumières blanches qui se rapproche le plus de la lumière émise par un corps noir (à température de couleur identique). L’IRC peut ainsi atteindre 90 voir 95. Le spectre résultant est montré à la figure 5.

Seule ombre au tableau, la mise en œuvre d’un semi conducteur émettant des radiations violettes (coût et performances), qui n’est encore que peut utilisée sur le marché comparé à la technologie semi conducteur bleu + phosphore jaune.

TOYODA GOSEÏ est l’un des leaders en ce qui concerne cette technologie, et réussit à obtenir une lumière proche de la lumière naturelle.

La figure 6⁽⁴⁾ donne un comparatif des spectres entre la technologie à led bleue + phosphore jaune (avec 2 types de phosphore jaune) et la méthode utilisant une led UV avec un phosphore RGB.

a b

Fig. 5

leur coût, lorsqu’on utilise cette technologie.

Tout d’abord, utilisant un semi conducteur violet, la qualité du packaging de la LED doit être d’excellente qualité afin de ne pas exposer les utilisateurs sous des radiations UV (même si elles sont relativement faibles).

Ensuite, le boîtier de la LED doit avoir été choisi pour ne pas être sensible (ou le moins possible) au UV de la source, qui ont tendance à rendre opaque des boîtiers en résine époxy par exemple (d’où une perte d’efficacité de la LED).

3.5 Méthode de Schubert

Pas encore utilisée de façon industrielle, elle consiste à émettre des radiations bleues à l’aide d’une première source vers une seconde source. Cette dernière absorbe une partie de ces radiations bleues pour réémettre du rouge (Cf. Fig 7 a&b).

Cette méthode découverte en 1999 a pour efficacité théorique 330lm/W, supérieure donc à celle des LEDs blanches conventionnelles (280lm/W). Néanmoins, les performances actuelles de ce type de LED atteignent 10-15lm/W.

De plus, l’IRC de ce type de LED est faible comparé aux LEDs à technologies plus standard, mais en ajoutant une seconde couche d’AlInGaP, on peut tout de même atteindre une IRC=60.

Fig. 7 (Boston University)

a b

4 Publications et ouvrages de référence

Web

1) Modification d’un réacteur standard de déposition par ajout d’un flux de gaz inerte permettant une diminution de mouvement gazeux (« Brilliant » by Bob Johnstone)

2) JJAP Express Letter : « Strongly Enhanced Phosphor Efficiency in GaInN White LED (avril 2005)

3) Lumileds Lighting, LLC Fifth International Conference on Nitride Semiconductors, ICNS-5 Nara, Japan, May 25-30, 2003

4) Documentation TOYODA GOSEÏ

LED ENGINEERING DEVELOPMENT 11 rue du mont DORE

31100 TOULOUSE Tel : 0561726209 Fax: 0561444080

Email : laurent.massol@led-development.fr Site web : www.led-development.fr