8 octobre 2014

Les LED à l'honneur du prix Nobel de Physique 2014


Les Japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont reçu le 7 octobre 2014 le Prix Nobel de Physique pour leurs travaux ayant permis la réalisation de diodes électroluminescentes bleues puis blanches.


Le prix Nobel distingue cette année à la fois l’invention de la diode électroluminescente bleue en 1989 qui a ensuite été commercialisée par la société Nichia  et donner naissance aux LED blanches de puissance.

Les trois chercheurs japonais, Isamu Akasaki, né en 1929, Hiroshi Amano, né en 1960, qui a été étudiant puis collaborateur du premier, tous les deux de l'université de Nagoya et Shuji Nakamura, né en 1954 au Japon et aujourd'hui chercheur à l'université de Californie à Santa Barbara (États-Unis) ont contribué à l’invention et la mise au point de ce qui est devenu aujourd’hui un objet du quotidien : les diodes électroluminescentes bleues. Les lecteurs Blu-Ray qui utilisent un laser bleu ont été développés à partir de la découverte de nos trois prix Nobel.


Depuis 30 ans, les LED sont utilisées dans de nombreux domaines d'applications, dans des systèmes industriels, des appareils audio et video, dans l'informatique, des systèmes d'éclairage pour voitures ou pour la publicité. Ces dernières années, l'efficacité lumineuse des LED blanches s'est améliorée, elle atteint à présent 130 lumens par watt et plus.

l'effet physique de l'électroluminescence a été découvert il y a plus de 100 ans.

En 1907, l'Anglais Henry Joseph Round découvre que les matériaux inorganiques peuvent s'éclairer lorsqu'un courant électrique est appliqué. Cette découverte fut d'abord oubliée étant donné qu'il avait principalement travaillé sur un nouveau système de radar.
En 1921, le physicien russe Oleg Lossew observe à nouveau l'"Effet de Round" de l'émission de lumière. Il consacra les années qui suivirent de 1927 à 1942 à examiner et à décrire ce phénomène plus en détail.
En 1935, le physicien français Georges Destriau découvre l'émission de lumière dans du sulfure de zinc. En l'honneur du physicien russe, il appela cet effet "Lumière de Lossew".

Il faudra attendre 1962 pour que la première diode luminescente rouge (type GaAsP), développée par l'américain Nick Holonyak, arrive sur le marché.
Cette première LED dans le domaine de longueurs d’onde visibles marque la naissance des LED produites à l'échelle industrielle.


C'est donc en 1995 que la première LED à émission blanche à partir de la transformation de l'électroluminescence est présentée et lancée sur le marché deux ans plus tard.

2006 voit les premières diodes électroluminescentes de puissance dépasser 100 lumens par watts. Cette efficacité ne peut être atteinte que par des lampes à décharge de gaz.

Aujourd'hui les LED blanches on gagné en efficacité lumineuse et les 250 lumens par watt sont déjà en cour de développement.


"Doper" le semi-conducteur, un casse-tête...

Le comité Nobel distingue ainsi un travail collaboratif à l’interface de la recherche académique et de l’industrie, souligne Bernard Gil, Directeur de Recherche au CNRS, chercheur au laboratoire Charles Coulomb de Montpellier, collègue et ami des trois lauréats Japonais. Ils ont commencé à développer ce procédé dans une start-up financée par un des équipementiers de Toyota, en bénéficiant au départ d’un coup de pouce du gouvernement" poursuit-il.

Il fallait en effet venir à bout de plusieurs difficultés pour mettre au point la diode bleue : "cela nécessitait l’utilisation comme semi-conducteur du nitrure de gallium ou d’aluminium dont on ne parvenait pas à obtenir une croissance cristalline sans défaut" explique Bernard Gil. Un procédé de croissance original a été inventé par Akasaki et Amano en 1986.



Puis il leur a fallu contrôler le "dopage" ce semi-conducteur : c’est ainsi que les électroniciens appellent l’introduction d’atomes autres, pour que le semi-conducteur produise un excès de charges négatives (dopage de type N) ou positive (dopage de type P). Akasaki et Amano ont compris comment maitriser le dopage de type N en 1989, an utilisant le silicium, et ils ont mis au point un procédé d’activation du dopant de type N, le magnésium et réalisé la première diode électroluminescente à base da GaN et d’un alliage (Ga,Al)N. Une fois ces difficultés levées, il fallait aussi mettre au point un procédé de fabrication industrielle et commercialiser les objets réalisés au laboratoire.

Shuji Nakamura qui travaillait alors pour Nichia va améliorer tous ces procédés pour en permettre l'adoption par l’industrie électronique et introduire un troisième alliage utilisant l’indium en 1991. Il réalise une diode électroluminescente bleue à forte puissance dès novembre 1993.





Très rapidement l’émission bleue va être utilisée pour stimuler des cristaux phosphorescents qui vont ainsi re-émettre des photons avec des les longueurs d'ondes qui permettent de constituer une lumière blanche. Les diodes blanches sont nées et vont être commercialisées pour devenir très rapidement une source lumineuse dont la performance et la durabilité est supérieure aux autres sources lumineuses disponibles.

En janvier 1996 est présenté à la presse japonaise le premier laser pulsé à base de nitrures émettant une puissante lumière bleue unidirectionnelle, brique de base annonçant l’avènement à court terme de la technologie blu-Ray. Dix années, pas moins ont été nécessaires pour que ces découvertes de laboratoire deviennent des ruptures technologiques.

(sources : Osram - Sciences et Avenir)

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