L’efficacité quantique interne absolue (IQE) des diodes électroluminescentes bleues (LED) à base de nitrure d’indium et de gallium (InGaN) à basse température est souvent supposée être de 100 %. Cependant, une nouvelle étude menée par des chercheurs en génie électrique et informatique de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a révélé que l’hypothèse d’un IQE toujours parfait est fausse : l’IQE d’une LED peut descendre jusqu’à 27,5 %.
Ce nouvelle recherche a récemment été publié dans Lettres de physique appliquée.
Comme le dit Can Bayram, professeur associé à l’ECE, les LED sont la source d’éclairage ultime. Depuis leur invention, ils sont devenus de plus en plus populaires en raison de leur efficacité énergétique et de leur rentabilité.
Une LED est un semi-conducteur qui émet de la lumière lorsque le courant traverse l’appareil. Il génère des photons par recombinaison d’électrons et de trous (porteurs), libérant de l’énergie sous forme de photons. La couleur de la lumière émise correspond à l’énergie du photon.
Les LED bleues à base d’InGaN permettent un éclairage blanc brillant et économe en énergie. La transition vers des sources d’éclairage à semi-conducteurs a considérablement réduit les besoins énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre, mais des améliorations continues de l’efficacité sont nécessaires pour atteindre les objectifs d’économie d’énergie à long terme. La feuille de route 2035 du Département américain de l’énergie appelle à une augmentation de l’efficacité des LED bleues de 70 % à 90 % et à des économies d’énergie supplémentaires de 450 térawattheures (TWh) et à des économies d’émissions de CO2 de 150 millions de tonnes métriques.
Bayram déclare : « La question est de savoir comment pousser plus loin cette source d’éclairage ultime ? La réponse est de comprendre son efficacité absolue, et non son efficacité relative. » L’efficacité relative compare un appareil avec lui-même, tandis que l’efficacité absolue permet une comparaison entre différents appareils en mesurant l’efficacité sur une échelle commune.
L’IQE est défini comme le rapport des photons générés aux électrons injectés dans la région active du semi-conducteur et est une mesure importante pour quantifier les performances des LED. La méthode la plus largement utilisée pour quantifier l’IQE est la photoluminescence dépendante de la température. Dans de telles analyses, on a supposé qu’à basse température (4, 10 ou même 77 Kelvin), il y a 100 % de recombinaison radiative, c’est-à-dire la production d’un photon. À température ambiante, en raison de mécanismes non radiatifs – qui émettent un excès d’énergie sous forme de chaleur plutôt que de photons – l’efficacité est nettement inférieure. Le rapport des deux intensités de photoluminescence donne une efficacité relative de la LED.
L’hypothèse initiale était qu’à basse température, il n’y a pas de recombinaison non radiative – tous les mécanismes de perte sont « gelés ». Bayram et l’étudiant diplômé Yu-Chieh Chiu affirment cependant que cette hypothèse peut être erronée car les effets non radiatifs pourraient en fait ne pas être complètement gelés à basse température.
Dans leur article, Bayram et Chiu démontrent une méthode différente pour révéler l’IQE absolu à basse température des LED à base d’InGaN. En utilisant un modèle de recombinaison « basé sur les canaux », ils rapportent des résultats surprenants : l’IQE absolu de la LED sur les substrats traditionnels en saphir et en silicium est de 27,5 % et 71,1 %, respectivement, ce qui est considérablement inférieur à l’hypothèse standard.
Pour expliquer ces résultats inattendus, Chiu explique que le modèle de recombinaison basé sur les canaux est l’un des moyens de réfléchir à ce qui se passe à l’intérieur de la couche active de la LED et à la façon dont la recombinaison dans un canal affecte un autre canal. Un canal est une voie qu’un porteur peut emprunter pour se recombiner de manière radiative ou non radiative.
« Pour déterminer l’efficacité de la LED bleue, seule l’émission bleue est généralement prise en compte », explique Chiu. « Mais cela ignore les effets de tout ce qui se passe à l’intérieur de l’appareil, en particulier les canaux de luminescence non radiatifs et défectueux. Notre approche consiste à obtenir une vue plus holistique de l’appareil et à déterminer, s’il y a recombinaison dans le canal bleu, comment est celle affectée par le(s) deuxième(s) et troisième(s) canal(aux)? »
Comme la recherche sur la LED continue d’avancer, il est important de connaître une efficacité absolue plutôt qu’une efficacité relative. Bayram souligne que « l’efficacité absolue est très importante pour le domaine afin que chacun puisse s’appuyer sur les connaissances de l’autre plutôt que chaque groupe améliore sa propre efficacité. Nous avons besoin de mesures absolues, pas seulement de mesures relatives. »
Pour répondre aux normes d’efficacité établies par le DOE, il sera de plus en plus important de quantifier correctement l’efficacité des LED. Même une augmentation de 1% de l’efficacité correspondra à des tonnes d’économies de dioxyde de carbone par an. Chiu dit : « En comprenant l’efficacité absolue, au lieu de l’efficacité relative, cela nous donnera une image plus précise et nous permettra d’améliorer encore les appareils en étant capables de les comparer les uns aux autres. »
Plus d’information:
YC Chiu et al, Efficacité quantique interne absolue à basse température des diodes électroluminescentes à base d’InGaN, Lettres de physique appliquée (2023). DOI : 10.1063/5.0142701