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Fait marquant

Vers des LED efficaces et sans mercure



Alors que le mercure devient un matériau à bannir hautement toxique pour le système nerveux, nous venons de réaliser une avancée significative vers des diodes électroluminescentes efficaces, sans mercure et à ultraviolets profonds utilisées dans le traitement de l’eau et de l’air, la désinfection, la détection des faux billets etc...

Publié le 12 mai 2020
La convention internationale de Minamata, qui est entrée en application le 16 août 2017, a pour objectif de proscrire à terme l’usage du mercure et des dispositifs à base de cet élément hautement toxique pour le système nerveux. Ceci concerne les lampes à mercure qui constituent les sources traditionnelles de lumière UV pour une large gamme d’applications incluant le traitement de l’eau et de l’air, la désinfection, le blanchiment du psoriasis, la détection des faux billets, l’agriculture etc... Ce contexte affecte de façon favorable le marché en forte croissance des diodes électroluminescentes (LED) dans la gamme de l’UV et stimule fortement la recherche et le développement dans ce secteur. L'irruption récente du Covid-19 et la probabilité d'émergence d'autres virus hautement pathogènes dans le futur, rendent particulièrement urgente la recherche de solutions «  sans mercure »  efficaces et faciles à mettre en œuvre pour la désinfection des surfaces par irradiation aux UV-C.

Les LED UV sont élaborées à partir de nitrures d’éléments III (troisième colonne du tableau périodique des éléments), soit le GaN, l'AlN et leur alliage AlGaN. Avec l’interdiction progressive du mercure, un intérêt grandissant s’exprime pour ce type de LED au niveau international, illustré par le nombre rapidement croissant des acteurs du domaine. Cependant, l’efficacité quantique externe de la plupart des LED UV produites reste faible. Un nombre très réduit d’acteurs a pu démontrer une efficacité supérieure à 10%, mais la plupart des dispositifs dans la gamme de l’UV-C utilisée pour des applications sanitaires (230-280 nm) présentent une efficacité inférieure à 5%. Les principales causes de cette réduction de l’efficacité pour les longueurs d’onde de plus en plus courtes (atteintes en augmentant la fraction molaire d’AlN dans l’alliage AlGaN) sont attribuées à la présence de défauts cristallins tels que les « dislocations » et à la recombinaison non radiative associée, autrement dit les « pertes » optiques, si la densité des dislocations excède 108/cm2. Cette limitation est également liée à des limites d’extraction de la lumière et aux difficultés du dopage de type p pour une fraction molaire d’AlN croissante, qui augmentent la résistance électrique et rendent le contact électrique de la LED de plus en plus difficile à réaliser.

C’est dans ce contexte qu'en collaboration avec des chercheurs de l’institut Néel nous avons récemment obtenu un résultat spectaculaire en démontrant que l’incorporation d’une faible fraction d’indium dans l'AlN conjointement au magnésium (qui est le matériau de dopage) conduisait à une augmentation considérable de la quantité de magnésium incorporée et donc du niveau de dopage de type p des nanofils d’AlN utilisés. Le fait d'utiliser des nanofils, et non des couches minces, facilite en outre la relaxation des contraintes générées par le dopant. Ce résultat est en rupture avec l’état de l’art. Il a été confirmé par la réalisation d’une jonction p-n à nanofils d’AlN et ouvre la voie à la réalisation d’un nouveau type de LED UV-C dont le procédé a été breveté. Il laisse également envisager la réalisation de LED hybrides pour l’UV-C, approche que nous avons également brevetée.


À gauche, structure d’une LED « standard ». À droite, structure d’une LED à nanofils (brevetée) tirant parti du dopage de type p réalisé pour les nanofils d’AlN.

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