La diode électroluminescente (LED) est essentiellement une diode semi-conductrice à jonction PN qui émet une lumière monochromatique (monocolore) lorsqu’elle est utilisée dans une direction orientée vers l’avant. La structure de base d’une LED se compose de la matrice ou du matériau semi-conducteur émetteur de lumière, d’un cadre de plomb où la matrice est placée de manière factuelle et de l’époxy d’encapsulation qui entoure et protège la matrice (Figure 1). Les premières LED utilisables commercialement ont été développées dans les années 1960 en combinant trois éléments primaires: le gallium, l’arsenic et le phosphore (GaAsP) pour obtenir une source de lumière rouge de 655 nm. Bien que l’intensité lumineuse était très faible avec des niveaux de luminosité d’environ 1-10mcd @ 20mA, ils ont quand même trouvé une utilisation dans une variété d’applications, principalement comme indicateurs. Après le GaAsP, le GaP ou le phosphure de gallium, des LED rouges ont été développées. Ces dispositifs présentaient des rendements quantiques très élevés, mais ils n’ont joué qu’un rôle mineur dans la croissance de nouvelles applications pour les LED. Cela était dû à deux raisons : premièrement, l’émission de longueur d’onde de 700 nm se trouve dans une région spectrale où le niveau de sensibilité de l’œil humain est très faible (Figure 2) et par conséquent, il ne « semble » pas être très brillant même si l’efficacité est élevée (l’œil humain est le plus sensible à la lumière jaune-vert). Deuxièmement, ce rendement élevé n’est atteint qu’à de faibles courants. Au fur et à mesure que le courant augmente, l’efficacité diminue. Cela s’avère être un inconvénient pour les utilisateurs tels que les fabricants de panneaux de messages extérieurs qui multiplexent généralement leurs LED à des courants élevés pour atteindre des niveaux de luminosité similaires à ceux du fonctionnement continu CC. En conséquence, les LED rouges GaP ne sont actuellement utilisées que dans un nombre limité d’applications. Au fur et à mesure que la technologie LED progressait dans les années 1970, des couleurs et des longueurs d’onde supplémentaires sont devenues disponibles. Les matériaux les plus courants étaient le gaP vert et rouge, le GaAsP orange ou rouge à haut rendement et le jaune GaAsP, qui sont tous encore utilisés aujourd’hui (tableau 3). La tendance vers des applications plus pratiques commençait également à se développer. Des LED ont été trouvées dans des produits tels que des calculatrices, des montres numériques et des équipements de test. Bien que la fiabilité des LED ait toujours été supérieure à celle des ampoules à incandescence, au néon, etc., le taux de défaillance des premiers appareils était beaucoup plus élevé que ce que la technologie actuelle atteint maintenant. Cela était dû en partie à l’assemblage réel des composants qui était principalement de nature manuelle. Les opérateurs individuels effectuaient des tâches telles que la distribution d’époxy, la mise en position de la matrice et le mélange d’époxy à la main. Cela a entraîné des défauts tels que la « pente époxy » qui a provoqué des fuites VF (tension directe) et VR (tension inverse) ou même un court-circuit de la jonction PN. De plus, les méthodes de croissance et les matériaux utilisés n’étaient pas aussi raffinés qu’aujourd’hui. Un nombre élevé de défauts dans les couches cristalline, substrat et épitaxiale a entraîné une efficacité réduite et une durée de vie plus courte des dispositifs.
Arséniure de gallium et d’aluminium
Ce n’est que dans les années 1980, lorsqu’un nouveau matériau, le GaAlAs (arséniure d’aluminium de gallium) a été développé, qu’une croissance rapide de l’utilisation des LED a commencé à se produire. La technologie GaAlAs offrait des performances supérieures à celles des LED précédemment disponibles. La luminosité était plus de 10 fois supérieure à celle des LED standard en raison d’une efficacité accrue et de structures multicouches de type hétérojonction. La tension requise pour le fonctionnement était plus faible, ce qui entraînait une économie d’énergie totale. Les LED pourraient également être facilement pulsées ou multiplexées. Cela a permis leur utilisation dans les messages variables et les panneaux extérieurs. Les LED ont également été conçues pour des applications telles que les lecteurs de codes à barres, les systèmes de transmission de données à fibre optique et les équipements médicaux. Bien qu’il s’agisse d’une percée majeure dans la technologie LED, il y avait encore des inconvénients importants au matériau GaAlAs. Tout d’abord, il n’était disponible que dans une longueur d’onde rouge de 660 nm. Deuxièmement, la dégradation du rendement lumineux des GaAlA est supérieure à celle de la technologie standard. Il a longtemps été une idée fausse avec les LED que le rendement lumineux diminuera de 50% après 100 000 heures de fonctionnement. En fait, certaines LED GaAlAs peuvent diminuer de 50% après seulement 50 000 à 70 000 heures de fonctionnement. Cela est particulièrement vrai dans les environnements à haute température et / ou à forte humidité. Également pendant ce temps, le jaune, le vert et l’orange n’ont connu qu’une amélioration mineure de la luminosité et de l’efficacité, principalement due à des améliorations de la croissance des cristaux et de la conception optique. La structure de base du matériau est restée relativement inchangée.
Pour surmonter ces problèmes difficiles, de nouvelles technologies étaient nécessaires. Les concepteurs de LED se sont tournés vers la technologie des diodes laser pour trouver des solutions. Parallèlement à l’évolution rapide de la technologie LED, la technologie des diodes laser a également progressé. À la fin des années 1980, les diodes laser avec sortie dans le spectre visible ont commencé à être produites commercialement pour des applications telles que les lecteurs de codes à barres, les systèmes de mesure et d’alignement et les systèmes de stockage de nouvelle génération. Les concepteurs de LED ont cherché à utiliser des techniques similaires pour produire des LED à haute luminosité et haute fiabilité. Cela a conduit au développement d’InGaAlP (Indium Gallium Aluminium Phosphide) visibleLEDs. L’utilisation d’InGaAlP comme matériau luminescent a permis une flexibilité dans la conception de la couleur de sortie LED simplement en ajustant la taille de la bande d’énergie. Ainsi, les LED vertes, jaunes, oranges et rouges pourraient toutes être produites en utilisant la même technologie de base. De plus, la dégradation du rendement lumineux du matériau InGaAlP est considérablement améliorée, même à température et humidité élevées.
Développements actuels de la technologie LED Les LED InGaAlP ont fait un nouveau bond en avant en matière de luminosité avec un nouveau développement de Toshiba, l’un des principaux fabricants de LED. Toshiba, en utilisant le processus de croissance MOCVD (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), a été en mesure de produire une structure de dispositif qui réfléchissait 90% ou plus de la lumière générée voyageant de la couche active vers le substrat en tant que sortie de lumière utile (Figure 4). Cela a permis une augmentation presque deux fois plus importante de la luminance LED par rapport aux appareils conventionnels. Les performances des LED ont été encore améliorées en introduisant une couche de blocage de courant dans la structure des LED (Figure 5). Cette couche de blocage canalise essentiellement le courant à travers l’appareil pour obtenir une meilleure efficacité de l’appareil. À la suite de ces développements, une grande partie de la croissance des LED dans les années 1990 sera concentrée dans trois domaines principaux: le premier concerne les dispositifs de contrôle de la circulation tels que les feux d’arrêt, les feux pour piétons, les feux de barricade et les panneaux de signalisation routière. Le second est dans des panneaux à messages variables tels que celui situé à Times Square New York qui affiche les marchandises, les nouvelles et d’autres informations. La troisième concentration serait dans les applications automobiles. La LED visible a parcouru un long chemin depuis son introduction il y a près de 40 ans et n’a encore montré aucun signe de ralentissement. Une LED bleue, qui est devenue disponible en quantités de production dans les années 1990, a donné lieu à toute une génération de nouvelles applications. Les LED bleues en raison de leurs énergies photoniques élevées (>2,5 eV) et de leur sensibilité oculaire relativement faible ont toujours été difficiles à fabriquer. De plus, la technologie nécessaire à la fabrication de ces LED est très différente et beaucoup moins avancée que les matériaux LED standard. Les LED bleues disponibles aujourd’hui sont constituées de GaN (nitrure de gallium) et de SiC (carbure de silicium) avec des niveaux de luminosité supérieurs à 10 000 mcd @ 20mA pour les appareils GaN. Étant donné que le bleu est l’une des couleurs primaires (les deux autres étant le rouge et le vert), des panneaux LED à semi-conducteurs en couleur, des téléviseurs, etc. sont devenus disponibles dans le commerce. D’autres applications pour les LED bleues comprennent l’équipement de diagnostic médical et la photolithographie.
Couleurs LED Il est également possible de produire d’autres couleurs en utilisant la même technologie GaN de base et les mêmes processus de croissance. Par exemple, une LED verte haute luminosité (environ 500 nm) a été développée qui a remplacé l’ampoule verte dans les feux de circulation. D’autres couleurs, y compris le violet et le blanc, sont également possibles. Avec l’introduction de LED bleues, il est possible de produire du blanc en combinant sélectivement la bonne combinaison de lumière rouge, verte et bleue. Ce processus nécessite toutefois une conception logicielle et matérielle sophistiquée pour être mise en œuvre. De plus, le niveau de luminosité est faible et la puissance lumineuse globale de chaque matrice RVB utilisée se dégrade à un rythme différent, ce qui entraîne un déséquilibre éventuel des couleurs. Une autre approche adoptée pour obtenir un rendement de lumière blanche consiste à utiliser une couche de phosphore (grenat d’aluminium yttrium) à la surface d’une LED bleue. En résumé, les LED sont passées de la petite enfance à l’adolescence et connaissent l’une des croissances de marché les plus rapides de leur vie. En utilisant le matériau InGaAlP avec MOCVD comme processus de croissance, combiné à une livraison efficace de la lumière générée et à une utilisation efficace du courant injecté, certaines des LED les plus brillantes, les plus efficaces et les plus fiables sont maintenant disponibles. Cette technologie, associée à d’autres nouvelles structures LED, assurera une large application des LED. Les nouveaux développements dans le spectre bleu et sur la puissance de la lumière blanche garantiront également l’augmentation continue des applications de ces sources lumineuses économiques.
