La DEL bleue

 Une idée lumineuse !

Par Simon Laliberté-Riverin

Simon Laliberté-Riverin est doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie mécanique

Simon Laliberté-Riverin est doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie mécanique

Ce n’est pas d’hier que les humains cherchent à s’éclairer durant la nuit. Du feu à l’ampoule fluorocompacte, en passant par la lampe à l’huile, les tubes fluorescents et l’ampoule incandescente, la technologie n’a pas cessé d’évoluer, en devenant toujours plus efficace. Or, une nouvelle percée technologique effectuée à la fin du XXe siècle, qui a valu à ses auteurs un prix Nobel de physique en 2014, a permis le développement de l’éclairage à partir de diodes électroluminescentes (DEL). En comparaison avec l’ampoule incandescente, cette technologie a le potentiel de réduire d’un facteur 20 la consommation énergétique pour une luminosité constante et de multiplier par 100 la durée de vie d’une ampoule. Comme près du quart de la consommation mondiale d’électricité est reliée à l’éclairage, cette technologie a un potentiel énorme pour améliorer la qualité de vie des gens et réduire notre empreinte environnementale.

Petite histoire d’une idée lumineuse : L’invention de la DEL bleue !

En vertu de la mécanique quantique, les électrons peuvent occuper seulement certains niveaux énergétiques discrets. Les électrons peuvent changer de niveau, mais comme les niveaux intermédiaires sont interdits, ils doivent pour ce faire absorber ou libérer une quantité finie d’énergie. Dans le cas d’électrons excités qui retombent dans l’état de base, l’énergie est libérée sous la forme d’un photon, dont l’énergie correspond exactement à l’intervalle de la bande interdite. Si l’énergie du photon se situe entre 1.75 eV et 3.1 eV, le rayonnement est visible à l’oeil nu ; il s’agit d’infrarouge si l’énergie est inférieure à cette plage, et d’ultraviolets si l’énergie est supérieure. C’est la base du phénomène d’électroluminescence. Ce phénomène n’est pas nouveau et a été observé pour la première fois au début du XXe siècle.

Les années 1940 et 1950 voient le développement des premières diodes de type p-n, desquelles découlent les DEL dans les années 1960. Les diodes p-n consistent en deux sections d’un semi-conducteur, auxquelles sont ajoutées des impuretés (dopage) qui leur permettent d’une part d’accepter plus d’électrons (dopage p) ou d’en donner plus (dopage n). Lorsqu’un voltage est appliqué, les électrons de la section n se combinent avec les accepteurs (trous) de la section p, faisant ainsi circuler le courant. Ce faisant, les électrons passent de la bande de conduction à la bande de valence et émettent un photon.

Les premières DEL produites émettent une lumière infrarouge, et le développement subséquent permet de produire des DEL rouges puis vertes. Or, pour produire de la lumière blanche, il faut trois couleurs : le rouge, le vert… et le bleu ! S’il est possible de produire du rouge ou du vert, alors pourquoi ne peut-on pas produire du bleu ? La raison est que les photons composant la lumière bleue ont une énergie supérieure à ceux de la lumière verte ou de la lumière rouge. Or, la bande interdite des semi-conducteurs utilisés pour les premières diodes est insuffisante pour produire une telle lumière.

Pour développer des diodes émettant de la lumière bleue, il a fallu résoudre plusieurs défis technologiques importants. Premièrement, il a fallu trouver un matériau ayant une bande interdite suffisante. Le nitrure de gallium (GaN), avec une bande interdite de 3.4 eV, a été identifié comme prometteur à la fin des années 1950. Il était toutefois impossible d’obtenir des cristaux assez volumineux pour les utiliser dans une diode, car les propriétés mécaniques des cristaux se détérioraient lors de la croissance. Il a fallu près de 30 ans de recherche avant d’arriver finalement avec des cristaux d’un volume satisfaisant.

Il restait toutefois un problème de taille : l’hydrogène présent dans le matériau se combinait avec les dopants utilisés pour le dopage de type p, rendant ceux-ci inefficaces, ce qui empêchait la fabrication d’une DEL fonctionnelle. Ce sont les lauréats du prix Nobel de physique, I. Akasaki, H. Amano et S. Nakamura, qui ont réussi à résoudre le problème grâce à une découverte fortuite. En effet, ils ont remarqué que les cristaux dopés étaient plus efficaces après avoir été observés au microscope électronique. Cela s’explique par le fait que le faisceau d’électrons du microscope réagit avec les complexes formés par l’hydrogène et les dopants, libérant l’hydrogène et permettant aux dopants de remplir leur rôle. À la suite de cette découverte, de nouveaux procédés ont été élaborés pour libérer l’hydrogène des semi-conducteurs dopés. La table était alors mise pour le développement à l’échelle commerciale de LED bleues ainsi que de toutes les gammes d’éclairage que cette découverte rend possible.

Cela démontre qu’en plus d’être persévérant, il faut demeurer à l’affût d’observations qui peuvent nous sembler anormales au premier abord. Il peut arriver que ce ne soit pas une erreur de manipulation, mais un élément déclencheur qui permet de jeter une nouvelle lumière sur le phénomène étudié. Une lumière… bleue !


Pour plus d’informations :

"The Nobel Prize in Physics 2014 - Advanced Information". Nobelprize.org. Nobel Media,  2014. [En ligne] : http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/

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