Les diodes et LEDs intégrées en nitrure de gallium signifient que l’éclairage n’a pas besoin de convertisseurs de puissance séparés.
Les ingénieurs de la Pennsylvania State University ont démontré une façon pratique d’intégrer dans des LEDs, du nitrure de gallium et ainsi que dans leurs circuits d’alimentation sur la même puce à l’aide de procédés de fabrication standard de l’industrie. Le résultat est une puce d’éclairage qui fonctionne directement à partir de l’électricité en courant alternatif fournie par une prise murale, sans avoir besoin de l’étape intermédiaire de conversion de l’électricité en courant continu basse tension sur des puces de silicium séparées et autres composants.
Les ingénieurs de Penn State décrivent le travail dans IEEE Transactions on Electron Devices.
Selon Jian Xu, professeur d’ingénierie de Penn State, qui a dirigé la recherche, l’intégration du système de commande des LEDs sur la puce en nitrure de gallium pourrait réduire le coût de fabrication de l’éclairage LED ainsi que le coût de maintenance de cet éclairage. Jusqu’à 60 % du coût d’une ampoule LED provient de l’électronique de commande, dit-il. Et parce que ces circuits électroniques d’attaque en silicium sont généralement moins robustes que le nitrure de gallium, ils ont tendance à tomber en panne avant même que la LED elle-même ne le fasse.
Les circuits d’attaque existants dans une lampe LED remplissent trois fonctions principales : Ils convertissent le courant alternatif (CA) en courant continu (rectification), lissent les ondulations du courant continu qui en résulte et abaissent la tension à un niveau plus adapté aux LED.
Le système d’attaque sur puce que le groupe de Xu a construit n’exécute que la première fonction (rectification) tout en éliminant le besoin de la troisième (abaissement de la tension).
Le circuit d’attaque se compose de quatre diodes à barrière Schottky (SBD : Schottky barrier diodes) disposées dans un circuit redresseur en pont. Les SBD sont des diodes formées par la jonction entre un métal et un semi-conducteur. Ils sont courants dans l’électronique de puissance, car ils ont une faible chute de tension avant. Le nitrure de gallium est un matériau particulièrement bon pour leur fabrication, car il possède une tension de claquage élevée, qui empêche le courant de circuler dans le sens inverse.
Afin d’obtenir la bonne tension pour les LEDs, les appareils sont construits sous la forme d’un réseau et mis en cascade dans une chaîne de 22 à 40 pixels par redresseur. De cette façon, la chute de tension totale est de 110-120 V de la prise murale, mais chaque pixel LED ne voit que quelques volts.
Attention, nous sommes aux Etats-Unis. Mais il est tout à fait possible que la solution fonctionne aussi en 220V
Une lampe LED blanche utilisant le prototype de puce intégrée a produit 89 lumens par watt. Cependant, comme le pont SBD fournit une version rectifiée de l’entrée CA plutôt qu’une tension à peu près constante, la DEL a un scintillement de 120 Hz, ce qui la rendrait plus adaptée aux applications d’éclairage extérieur comme les lampes pour parkings et routes, où un faible coût de maintenance est critique mais où la qualité lumineuse est moins importante.
Intégrer les circuits de commande d’un luminaire LED peut sembler une idée évidente, mais c’était hors de portée jusqu’à récemment. « Le nitrure de gallium est un matériau relativement nouveau, assure Jian Xu. « La technologie n’a mûri que récemment, c’est pourquoi l’intégration sur une seule puce est une idée très nouvelle. » Les tentatives précédentes ont nécessité l’utilisation de structures LED spécialisées ou de procédés de fabrication trop complexes pour être mis à l’échelle ou trop dommageables pour l’efficacité des LED.
Résoudre ce dernier problème était la clé de la réussite du laboratoire de Jian Xu. Dans la fabrication de puces de silicium, le décapage des matériaux pour former des dispositifs peut se faire par la chimie « humide », comme le traitement à l’acide fluorhydrique. Mais le nitrure de gallium est trop dur pour que cela fonctionne, explique Jian Xu. C’est pourquoi on utilise à la place la « gravure à sec », c’est-à-dire la gravure par plasma à couplage inductif. Malheureusement, ce processus peut laisser des défauts d’efficacité en surface.
« Nous avons passé deux ans à essayer de réduire les défauts en utilisant une technique de gravure mixte « , explique Jian Xu. Bien que la gravure humide ne soit pas assez forte pour enlever une grande partie de la surface du semi-conducteur, avec le temps, elle peut aider à enlever la couche défectueuse laissée par la gravure sèche. Son équipe a finalement mis au point une séquence de gravure à sec et de gravure humide qui a produit des appareils de haute qualité à faible défaut. Mieux encore, cette procédure de « gravure cyclique » pourrait être utilisée pour augmenter l’efficacité des microLEDs pour les écrans, selon Jian Xu.
