Prix Nobel
Investir dans les réalisations du prix Nobel – Les diodes LED à lumière bleue éclairent le futur
Ajouter Securities.io à vos sources préférées sur Google
Une révolution banale
Certaines prix Nobel de physique sont attribués à une révolution dans la façon fondamentale dont nous comprenons l’univers, des trous noirs (2020) aux particules subatomiques (2013) ou à l’expansion de l’Univers (2011). D’autres récompensent des découvertes apparemment plus « banales », qui méritent néanmoins d’être primées pour l’impact durable et radical qu’elles auront sur la civilisation humaine.
Les diodes LED capables d’émettre de la lumière rouge, jaune et verte sont connues depuis l’invention de la technologie LED. Cependant, pour produire de la lumière blanche, les diodes LED doivent émettre de la lumière bleue lorsque cela est nécessaire, ce qui s’est avéré difficile à réaliser.
Le bon type de lumière
Énergie quantique
Ce qui rend la lumière bleue si difficile à produire avec les LED provient de la physique fondamentale des diodes LED.
Les LED produisent de la lumière grâce aux principes de la physique quantique. Dans une version simplifiée de la physique quantique, les atomes sont constitués d’un noyau autour duquel gravitent un ou plusieurs électrons, un peu comme la Terre autour du Soleil.
En raison des règles de la mécanique quantique, ces électrons ne peuvent « orbiter » autour du noyau atomique qu’à des niveaux prédéterminés, chacun déterminé par un certain niveau d’énergie. Lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie élevé à un niveau inférieur, l’excédent est émis sous forme de lumière.
La lumière de faible énergie se situe généralement du côté « rouge » du spectre lumineux, tandis que la lumière de haute énergie se trouve du côté bleu du spectre.
Source : Online Learning College
Principes de base des LED
Cette capacité des atomes à émettre de la lumière, issue de la physique fondamentale, est le principe de base des diodes LED. En pratique, quelques caractéristiques supplémentaires sont nécessaires.
Pour créer une diode LED, il faut d’abord des matériaux semi-conducteurs, capables de laisser passer ou de bloquer un courant électrique (d’où le qualificatif « semi »).
You must then combine 2 different types of semiconductors:
- Un type capable de céder des électrons, appelé « type n ».
- Un type disposant d’un espace supplémentaire pour recevoir ces électrons, appelé « type p ».
Les combinaisons de semi-conducteurs utilisées dans les LED possèdent une « band gap », avec une différence significative de potentiel énergétique entre les deux matériaux.
Lorsque les électrons passent d’un semi-conducteur à l’autre, l’énergie libérée devient la lumière que nous souhaitons obtenir de la diode.
Source : BYJUS
Les premiers systèmes LED présentaient de très petites différences d’énergie entre les deux types de semi-conducteurs, ce qui entraînait l’émission de lumière infrarouge à faible énergie. Rapidement, les scientifiques et les entreprises électroniques ont découvert comment augmenter cet écart énergétique, menant à des LED visibles en rouge, jaune et vert.
Une partie clé de ces améliorations a consisté à « dopeler » les matériaux semi-conducteurs auparavant purs avec d’autres éléments, ce qui a renforcé leurs performances.
Source : Wikipedia by VectorVoyager
Cette méthode s’est avérée insuffisante pendant plusieurs décennies pour créer la band gap à haute énergie requise pour que les LED émettent de la lumière bleue.
Le chemin difficile vers les diodes LED bleues
Nitrure de gallium – Un matériau miracle difficile
La band gap des matériaux utilisés pour les LED à faible énergie, comme l’arséniure de gallium (1,42 eV) et le phosphure de gallium (2,26 eV), employés pour les LED rouges et vertes, était inférieure aux 2,6 à 3,4 eV nécessaires à la lumière bleue.
Une alternative a été trouvée avec le nitrure de gallium (3,37 eV). Utiliser le nitrure de gallium pour créer de la lumière LED bleue semblait une bonne idée, mais le mettre en pratique semblait impraticable.
Source : Britannica
Le premier obstacle était qu’aucune méthode n’existait pour préparer une surface sur laquelle faire pousser des cristaux de nitrure de gallium. De plus, personne ne savait comment fabriquer une couche de type p en nitrure de gallium. Beaucoup ont essayé et échoué à transformer le nitrure de gallium en un système LED fonctionnel pour la lumière bleue. C’est à ce moment que les trois lauréats du prix Nobel 2014 sont intervenus.
Résoudre le problème des LED bleues sous plusieurs angles
En 1986, Isamu Asaki et Hiroshi Amano ont été les premiers à découvrir comment faire pousser des cristaux de nitrure de gallium sur une couche de nitrure d’aluminium déposée sur un substrat de saphir.
Ils créeraient une couche p quelques années plus tard, et finalement le premier prototype de LED à lumière bleue brillante en 1992.
Parallèlement, Shuji Nakamura a commencé à développer sa LED bleue en 1988. Il a trouvé sa propre méthode pour faire pousser le cristal de nitrure de gallium, d’abord en cultivant une fine couche de nitrure de gallium à basse température, puis en faisant croître les couches suivantes à une température plus élevée.
Compréhension réelle du nitrure de gallium
La couche p d’Asaki et Amano a été optimisée en exposant le nitrure de gallium au faisceau d’électrons d’un microscope électronique à balayage.
Nakamura disposait du cadre théorique pour expliquer le fonctionnement du microscope électronique : il éliminait les atomes d’hydrogène, empêchant la formation de la couche p. Il a alors mis au point une méthode plus simple et moins coûteuse pour obtenir le même résultat : le chauffage contrôlé du matériau.
Les deux groupes de recherche parallèles ont poursuivi leurs travaux avec des conceptions de plus en plus avancées et complexes pour leurs LED bleues, créant divers alliages de nitrure de gallium avec de l’aluminium ou de l’indium, dopant efficacement les semi-conducteurs afin d’augmenter leur rendement lumineux et leur efficacité.
Source : Nobel Prize
Ils ont également inventé des lasers bleus en utilisant leurs LED à lumière bleue. Parce que la fréquence de la lumière bleue est beaucoup plus petite que celle des autres couleurs, elle peut contenir 4 fois plus d’informations que la lumière infrarouge, ouvrant la voie aux disques Blu‑ray.
Réalisations des LED bleues
Plus de lumière avec moins d’électricité
Les LED bleues ont rendu possible la création de lumière blanche, permettant de remplacer la plupart des ampoules et lampes fluorescentes par des LED. Cela est particulièrement notable, les LED étant 20 fois plus efficaces que les ampoules et 4 fois plus que les lampes à incandescence.
Source : Nobel Prize
Parce qu’un quarte de la consommation d’électricité sert à produire de la lumière, cela représente une économie radicale de la consommation énergétique mondiale.
Cela rend également les systèmes d’éclairage hors réseau beaucoup plus viables, les petits panneaux solaires ou autres sources d’énergie alternatives pouvant désormais alimenter la lumière dans des zones reculées ou pauvres. Cela, à son tour, permet d’augmenter la productivité et d’améliorer l’éducation.
Couleurs personnalisées
En plus des LED blanches, la combinaison de LED rouges, vertes et bleues permet de créer toutes les couleurs possibles du spectre visible. Cela ouvre la voie à toutes sortes de LED spécialisées pour des applications de niche.
Une application majeure des LED bleues et des couleurs personnalisées à la demande a été les écrans LED pour téléviseurs, ordinateurs et smartphones, les fluctuations du ratio rouge/vert/bleu étant responsables de l’affichage de la couleur correcte pixel par pixel.
Ou, par exemple, les plantes n’utilisent pas la lumière verte pour la photosynthèse. Ainsi, les lumières LED pour la culture en intérieur peuvent n’utiliser que des LED rouges et bleues, optimisant grandement la consommation d’énergie de la culture en serre et rendant possible la révolution de l’hydroponie et de l’agriculture urbaine. Et peut‑être un jour même la culture d’aliments dans l’espace ou sur Mars.
Source : Agritecture
LED ultraviolets
Après le développement initial des LED à lumière bleue, d’autres améliorations ont rendu possible un système encore plus puissant émettant de la lumière ultraviolette.
Ces LED UV‑C peuvent être utilisées pour purifier l’eau à toutes les échelles, du matériel de camping aux services publics desservant des dizaines de millions de personnes dans les grandes villes. Elles peuvent également être employées pour éliminer les agents pathogènes aéroportés et stériliser les surfaces, par exemple dans les hôpitaux.
Blu‑Ray et lasers bleus
Comme mentionné précédemment, le Blu‑ray et d’autres solutions de stockage de données à haute densité reposant sur le laser bleu n’auraient pas été possibles sans les LED bleues. La haute densité de données est également utile pour la communication optique, surtout lorsqu’une bande passante élevée est requise.
Les lasers bleus sont également « la source de lumière idéale pour le traitement de métaux à haute réflectivité, offrant des avantages substantiels dans diverses applications industrielles telles que la découpe et le soudage ».
Les lasers bleus sont également maintenant utilisés pour la chirurgie du larynx, grâce à leur puissance élevée et à l’absorption de la longueur d’onde de 445 nm par l’hémoglobine, permettant une coagulation très précise des vaisseaux sanguins.
Nitrure de gallium au‑delà des LED
Les LED bleues ont créé toute une industrie produisant à grande échelle et étudiant les cristaux de nitrure de gallium. Cela pourrait, à son tour, engendrer une révolution dans la conception des électroniques, le nitrure de gallium étant appelé « la prochaine grande avancée dans l’électronique de puissance ».
Le nitrure de gallium peut fonctionner à des températures et des tensions bien plus élevées que les transistors à effet de champ (FET) à base de silicium. Ainsi, les technologies basées sur le nitrure de gallium pourraient être utilisées pour les stations de base cellulaires 5G, les transistors, les petits appareils électroniques, et même l’IA, les applications informatiques nécessitant des consommations d’énergie toujours plus importantes.
Toutes ces applications n’auraient pas été possibles sans les économies d’échelle de la production et la richesse de connaissances créées par l’industrie des LED bleues dès le départ.
Entreprises de LED bleues
Entreprises liées à Nakamura
Nakamura a développé sa lumière LED bleue en travaillant chez Nichia Corporation. Après un changement de direction en 1989, l’entreprise avait effectivement ordonné à Nakamura d’arrêter le projet, ce qu’il n’a heureusement pas fait. Cela a également été une bonne nouvelle pour l’entreprise, qui a quadruplé son chiffre d’affaires entre 1993 et 2001, 60 % de son activité totale provenant des LED bleues.
Nakamura a quitté Nichia en 1999, et il sera plus tard impliqué dans une série complexe de procès concernant la propriété de la technologie, impliquant Nakamura, Nichia et le concurrent américain Cree. Nakamura a finalement conclu un accord de paiement de ¥840 millions (≈ US$8,1 millions) avec Nichia.
Nakamura a ensuite fondé en 2008 Soraa, une société cotée en privé vendant des LED bleues, qui a été récemment acquise par Ecosense en 2020.
En 2022, Nakamura a co‑fondé Blue Laser Fusion, une société de fusion nucléaire commerciale. Elle envisage d’utiliser des lasers à énergie de pulsation méga‑joule avec un taux de répétition rapide pour atteindre la fusion commerciale. L’entreprise prévoit de finaliser son premier prototype en 2025 et de démontrer un réacteur de fusion prêt pour le marché d’ici 2030.
Blue Laser Fusion est soutenue par le Mirai Creation Fund, qui est lui‑même soutenu par Toyota Motor (TM ) et d’autres investisseurs.
Avec Soraa/Ecosense et Nichia (à ne pas confondre avec Nichias - NICFF) sociétés cotées en privé, les investisseurs doivent regarder d’autres fabricants de LED bleues pour investir dans cette technologie qui est devenue la base de l’innovation moderne dans l’électronique, les télécommunications, la médecine, la fabrication et même l’agriculture.
1. SMART Global Holdings
Cree était une entreprise américaine qui fut parmi les premières à commercialiser massivement les LED bleues et un concurrent majeur de Nichia liée à Nakamura. Elle était également à l’origine du premier wafer commercial en carbure de silicium.
Plus tard, elle a changé de nom pour devenir ‘Wolfspeed‘, et a vendu son activité LED à SMART Global Holdings en 2021.
Source : SGH
SGH managed four different brands:
- Cree LED
- Penguin Solutions , une solution d’infrastructure IA.
- Stratus, une plateforme informatique ultra‑fiable.
- SMART Modular Technologies, un leader dans la technologie DRMA et le stockage de données à l’état solide.
Cree LED représente environ 1/5th du chiffre d’affaires total, et les solutions de plateformes intelligentes constituent la moitié du chiffre d’affaires total.
Ainsi, SGH n’est pas une société uniquement axée sur les LED. Cependant, Cree LED possède d’importantes propriétés intellectuelles (notamment la marque XLamp), jouissant d’une réputation d’excellence technologique dans le domaine et une présence sur tous les marchés liés aux LED bleues.
2. Osram (OSAGF)
Osram est une entreprise mondiale qui dirige le secteur des capteurs et des solutions d’éclairage innovantes. Les segments semi‑conducteurs, incluant les LED, les lasers, les circuits intégrés et les capteurs, représentent 2/3 du chiffre d’affaires de l’entreprise.
Elle est notamment numéro 1 dans de nombreuses catégories :
- LED et lasers automobiles.
- Éclairages automobiles traditionnels.
- LED horticoles.
- Imagerie médicale CT.
Source : OSRAM
Dans l’ensemble, OSRAM est le numéro 2 du marché des LED avec 13 % de part de marché, derrière Nichia (15 %), mais bien devant le reste de la concurrence comme le numéro 3 & 4 Seoul Semiconductors (7 %) et Samsung LED (7 %), et MLS (6 %).
OSRAM est également le leader des capteurs de lumière, avec 29,2 % du marché, juste devant STMicroelectronics (28,5 %).
La majeure partie du chiffre d’affaires de l’entreprise provient de la région Asie‑Pacifique, les revenus récents étant presque également répartis entre EMEA et les Amériques.
Le marché des LED devrait continuer de croître à un TCAC de 6,8 % jusqu’en 2028 au moins. Cela est principalement dû aux marchés des LED automobiles et d’éclairage général.
Source : OSRAM
Avec la position de leader d’OSRAM sur le marché automobile, tant les lampes classiques que les lampes LED, ainsi que l’horticulture, l’entreprise est presque certaine de voir son marché total adressable croître continuellement au cours des prochaines années.
