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Apogee

Les deux dernières décennies ont vu l’avènement d’une rupture technologique avec la mise sur le marché des éclairages utilisant les diodes électroluminescentes (LEDs) à base de nitrure de gallium (GaN), remplaçant les lampes à halogène et les ampoules fluo-compactes. Ces dernières années, ce sont les matériaux à base de nitrure d’aluminium (AlN) qui connaissent un fort développement en R&D pour la réalisation de nouvelles sources émettant dans une autre gamme de longueurs d’onde : l’ultra-violet (UV). En particulier, un domaine stratégique concerne l’UV-C et la réalisation de LEDs émettant autour de 260 – 270 nm pour la purification de l’eau et de l’air : ces longueurs d’onde permettent d’éliminer les éléments polluants (bactéries, virus ou autres agents pathogènes) en modifiant/endommageant leurs molécules d’ADN/ARN. Les LEDs UV offrent aussi de nombreux avantages par rapport à la technologie UV des lampes à mercure actuellement utilisées : compacité, durée de vie, consommation électrique, et surtout une technologie écologique permettant de supprimer le mercure fortement toxique et non recyclable.

Cependant, l’efficacité énergétique des LEDs UV n’est pas satisfaisante avec un rendement de quelques % au maximum. Le rendement quantique d’une LED (nombre de photons émis sur nombre d’électrons injectés) dépend de trois processus : 1°) les électrons et les trous doivent se rencontrer et se recombiner dans la zone active et pas ailleurs ; 2°) la recombinaison doit produire de la lumière et non de la chaleur ; 3°) le photon doit sortir de la LED et ne pas rester piégé par réflexion interne totale. Le rendement quantique externe est le produit des rendements de ces trois processus. Le rendement à la prise tient en outre compte de la tension de fonctionnement comparée à l’énergie du photon.

Afin d’obtenir des LEDs UV-C avec des rendements plus élevés, il est nécessaire de résoudre les points suivants:

  1. la forte densité de dislocations (DD), ou défauts cristallins, dans les heterostructures à base d’AlN (avec des DD typiquement supérieures à 109 cm-2), ce qui réduit fortement le nombre de photons créés dans la région active de la LED;
  2. le faible rendement d’injection des porteurs (électrons/trous) pour faire fonctionner la LED, en raison de couches très résistives (en particulier des concentrations de trous inférieures à 1017 cm-3);
  3. le faible rendement d’extraction des photons qui n’est que de quelques pourcents pour les technologies LED planaires en raison de la différence d’indice de réfraction avec l’air et de l’utilisation de couches de contacts de GaN qui absorbent dans l’UV;
  4. Et/ou les tensions de fonctionnement élevées (supérieures à 12 V à 20 mA) en raison de la forte résistivité des couches de contact.

L’ambition du projet APOGEE est de fabriquer des prototypes de LED UV-C avec des performances allant au-delà de l’état de l’art actuelle, c.-à-d. avec des rendements à la prise supérieurs à 10%. Pour atteindre ces performances, le consortium mis en place se focalisera sur trois objectifs principaux qui sont:

  1. la qualité structurale des couches d’AlN qui est le matériau sur lequel on fabrique les LEDs UV (pour des raisons de transparence des matériaux dans l’UV). C’est un des verrous et des DD de 1.108 cm-2 seront visées en utilisant des procédés de recuit à très haute température développés au CRHEA sur des couches réalisées au LETI;
  2. l’efficacité d’injection, en obtenant des tensions de fonctionnement inférieurs à 8 V à 20 mA;
  3. l’efficacité d’extraction en développant des procédés de report de couches minces et des technologies LED à injection verticale.

Le succès du projet s’appuiera sur l’expertise complémentaire des partenaires, qui va de la croissance des matériaux et de leurs caractérisations au développement de procédés de fabrication de prototypes de LEDs.

Ce projet implique quatre partenaires académiques:

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