Une couche active de nitrure III cubique avec une efficacité quantique interne de 32 %

Le mélange de couleurs est le processus de combinaison de deux couleurs ou plus : le rouge et le vert donnent le jaune, le bleu et le rouge donnent le violet, le rouge et le vert et le bleu donnent le blanc. Ce processus de mélange des couleurs constitue la base de l’avenir de l’éclairage à semi-conducteurs. Alors qu’actuellement la lumière blanche est obtenue par conversion descendante du phosphore, le mélange de couleurs des LED a en réalité une efficacité maximale théorique plus élevée, ce qui est nécessaire pour atteindre les objectifs d’efficacité énergétique 2035 du DOE.

Malgré l’efficacité potentielle des sources LED à couleurs mélangées, il existe un défi de taille : le vert. Le « fossé vert » est décrit comme le manque de LED vertes adaptées. Les LED vertes actuelles sont fabriquées à partir de nitrure hexagonal III de pointe, mais n’atteignent qu’un tiers des objectifs d’efficacité définis dans la feuille de route 2035 du DOE.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont trouvé une voie potentielle pour combler le fossé vert et ont signalé une couche active de nitrure III cubique émettant dans le vert avec une efficacité quantique interne (IQE) de 32 %, soit plus que Efficacité 6 fois supérieure à celle rapportée dans la littérature pour les couches actives cubiques classiques.

« L’objectif ultime est de tripler l’efficacité des diodes électroluminescentes blanches actuelles. Et pour ce faire, nous devons combler le vide vert dans le spectre, ce qui n’est pas une tâche facile. Il faut de l’innovation. Et nous montrons l’innovation à partir des matériaux. en utilisant des nitrures cubiques », explique Can Bayram, professeur de génie électrique et informatique, qui a dirigé ce travail aux côtés de l’étudiant diplômé Jaekwon Lee.

Les résultats de ceci recherche ont été récemment publiés dans Lettres de physique appliquée comme article de couverture du numéro.

Aujourd’hui, les LED blanches les plus efficaces utilisent des diodes électroluminescentes bleues avec un revêtement de phosphore de terres rares qui convertit la lumière bleue en jaune, verte et/ou rouge, ce qui permet un éclairage blanc. Ce processus est appelé conversion descendante du phosphore. Les phosphores sont des matériaux luminescents qui peuvent absorber et convertir des photons à haute énergie (comme la lumière bleue) en lumière à plus faible énergie et à longueur d’onde plus longue (telle que le vert, le jaune et le rouge, respectivement).

Ce processus de conversion descendante du phosphore présente cependant des limites. Le processus de conversion descendante est intrinsèquement inefficace car les photons de haute énergie doivent perdre de l’énergie (sous forme de chaleur) pour être convertis en photons d’autres énergies. Actuellement, les LED blanches utilisées dans SSL génèrent sept fois plus de chaleur que la puissance lumineuse. De plus, les luminophores sont chimiquement instables et ajoutent des coûts importants de matières premières et d’emballage (d’environ 20 %) au dispositif LED.

Malgré l’augmentation de l’efficacité des LED bleues ces dernières années, le SSL utilisant des luminophores n’a qu’une efficacité lumineuse théorique maximale de 255 lumens/watt (lm/W), alors que le mélange de couleurs des LED peut atteindre une efficacité lumineuse maximale théorique de 408 lm/W.

Cependant, de nombreuses approches établies pour les LED vertes souffrent d’une « baisse d’efficacité » à des densités de courant élevées. Il a été difficile d’obtenir une émission verte à haut rendement avec le nitrure hexagonal III traditionnel, même en augmentant la teneur en indium (un élément coûteux requis pour les émissions vertes), ce qui entraîne des densités de défauts plus élevées et une chute de l’efficacité. Cela représente un défi fondamental pour l’adoption généralisée du SSL.

« Nous avons trouvé un moyen de synthétiser du nitrure de gallium cubique monophasé de haute qualité et à faible densité de défauts en utilisant une technique de piégeage de phase à rapport d’aspect inventée par le groupe Bayram », explique Lee. Dans le piégeage de phase au rapport hauteur/largeur, les défauts, ainsi que la phase hexagonale indésirable, sont « piégés » à l’intérieur des rainures de sorte que la surface de la couche active est un matériau à phase cubique parfaite. Les phases cubique et hexagonale font référence à la manière dont les atomes des matériaux s’organisent.

Ici, les chercheurs ont développé un système de nitrure III cubique qui peut permettre des LED vertes très efficaces et sans affaissement avec un IQE de 32 % et une teneur en indium de seulement 16 %. Il s’agit de l’IQE le plus élevé signalé pour les puits cubiques, avec environ 30 % d’indium en moins que la quantité nécessaire dans un puits hexagonal traditionnel.

Bayram affirme que l’écart vert peut être comblé en utilisant du nitrure III cubique, car les avantages de ces matériaux pour le SSL sont bien documentés à la fois théoriquement et expérimentalement. L’efficacité réelle des dispositifs cubiques a été entravée par la qualité et la pureté de la phase cubique, mais la nouvelle technique de piégeage de phase à rapport d’aspect utilisée dans cette recherche permet d’obtenir du nitrure III cubique pur et de haute qualité.