1 Introduction PAR LAURENT MASSOL
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 Problématique
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.
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.
3.3 LED bleue + multi phosphores
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.
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 Problématique
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
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.
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.
3.3 LED bleue + multi phosphores
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.
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