Types de LED blanchesLes principales technologies d'éclairage à LED blanches sont : ① LED bleues + phosphore ; ②LED RGB de type; ③ LED ultraviolette + type phosphore.

1. Lumière bleue – Puce LED + type phosphore jaune-vert, y compris les dérivés de phosphore multicolores et autres types.

La couche de phosphore jaune-vert absorbe une partie de la lumière bleue émise par la puce LED, produisant ainsi de la photoluminescence. L'autre partie de cette lumière bleue traverse la couche de phosphore et se mélange à la lumière jaune-verte émise par le phosphore en divers points de l'espace. Les lumières rouge, verte et bleue se combinent pour former de la lumière blanche. Dans ce procédé, le rendement de conversion de la photoluminescence du phosphore, l'un des rendements quantiques externes, ne dépasse pas 75 % en théorie, et le taux d'extraction de lumière maximal de la puce atteint environ 70 %. Par conséquent, le rendement lumineux maximal d'une LED blanche de type bleu ne peut théoriquement excéder 340 lm/W. Ces dernières années, CREE a atteint 303 lm/W. Si ces résultats sont exacts, c'est une performance remarquable.

2. Combinaison des trois couleurs primaires rouge, vert et bleuTypes de LED RVBinclureTypes de LED RGBW, etc.

Trois diodes électroluminescentes (LED) – rouge (R-LED), verte (G-LED) et bleue (B-LED) – sont combinées et les trois couleurs primaires (rouge, vert et bleu) émises sont directement mélangées pour former de la lumière blanche. Pour produire une lumière blanche à haut rendement de cette manière, il est primordial que les LED de différentes couleurs, et notamment les LED vertes, soient des sources lumineuses efficaces. En effet, la lumière verte représente environ 69 % de la lumière blanche isoénergétique. Actuellement, le rendement lumineux des LED bleues et rouges est très élevé, avec des rendements quantiques internes dépassant respectivement 90 % et 95 %. Cependant, le rendement quantique interne des LED vertes est nettement inférieur. Ce faible rendement des LED à base de GaN pour la lumière verte est appelé « fossé de la lumière verte ». La principale raison est que les LED vertes n'ont pas encore trouvé de matériaux épitaxiaux adaptés. Les matériaux existants à base de nitrure de phosphore et d'arsenic présentent un très faible rendement dans la gamme spectrale jaune-vert. Cependant, l'utilisation de matériaux épitaxiaux rouges ou bleus pour fabriquer des LED vertes présente un rendement lumineux supérieur à celui des LED vertes obtenues par conversion de phosphore bleu, sous faible densité de courant. Ce rendement lumineux atteint 291 lm/W sous un courant de 1 mA. Toutefois, il chute significativement à des courants plus élevés en raison de l'effet de chute de rendement. Lorsque la densité de courant augmente, le rendement lumineux diminue rapidement. À 350 mA, il est de 108 lm/W, et à 1 A, il chute à 66 lm/W.

Pour les phosphures du groupe III, l'émission de lumière dans la bande verte constitue un obstacle majeur pour les systèmes de matériaux. Modifier la composition de l'AlInGaP afin qu'il émette du vert plutôt que du rouge, de l'orange ou du jaune entraîne un confinement insuffisant des porteurs en raison de la faible bande interdite du matériau, ce qui empêche une recombinaison radiative efficace.

En revanche, il est plus difficile pour les nitrures III d'atteindre un rendement élevé, mais les difficultés ne sont pas insurmontables. Avec ce système, l'extension du spectre lumineux vers le vert entraîne une diminution du rendement due à deux facteurs : la baisse du rendement quantique externe et celle du rendement électrique. La baisse du rendement quantique externe provient du fait que, malgré une bande interdite plus faible, les LED vertes utilisent une tension directe élevée pour le GaN, ce qui réduit le taux de conversion de puissance. Le second inconvénient est la diminution du rendement des LED vertes lorsque la densité de courant d'injection augmente, un phénomène lié à l'effet de chute de rendement. Cet effet se produit également dans les LED bleues, mais son impact est plus important dans les LED vertes, ce qui entraîne une diminution du rendement en courant de fonctionnement conventionnel. Cependant, les causes de l'effet de chute de rendement sont multiples et ne se limitent pas à la recombinaison Auger ; d'autres hypothèses incluent les dislocations, la saturation du spectre par les porteurs de charge et les fuites d'électrons. Ces dernières sont amplifiées par un champ électrique interne à haute tension.

Par conséquent, pour améliorer l'efficacité lumineuse des LED vertes, deux solutions s'offrent à nous : d'une part, étudier comment réduire l'effet de chute de luminosité (ou « drop ») avec les matériaux épitaxiés existants afin d'améliorer cette efficacité ; d'autre part, utiliser la conversion de photoluminescence des LED bleues et des phosphores verts pour émettre de la lumière verte. Cette méthode permet d'obtenir une lumière verte à haut rendement, théoriquement supérieur à celui de la lumière blanche actuelle. Cependant, cette lumière verte n'est pas spontanée et la diminution de sa pureté spectrale, due à son élargissement spectral, est défavorable aux écrans, mais ne convient pas à un usage domestique. L'efficacité lumineuse de la lumière verte ainsi obtenue pourrait dépasser 340 lm/W, mais elle ne dépassera pas ce seuil même combinée à celle de la lumière blanche. Enfin, il est essentiel de poursuivre les recherches et de développer nos propres matériaux épitaxiés. C'est la seule voie prometteuse. En obtenant une lumière verte supérieure à 340 lm/W, la lumière blanche combinée par les trois LED de couleur primaire rouge, verte et bleue peut être supérieure à la limite d'efficacité lumineuse de 340 lm/W des LED à lumière blanche de type puce bleue. W.

3. LED ultravioletteLa puce et les trois phosphores de couleur primaire émettent de la lumière.

Le principal défaut inhérent aux deux types de LED blanches mentionnés ci-dessus réside dans la distribution spatiale non uniforme de la luminosité et de la chromaticité. La lumière ultraviolette étant invisible à l'œil nu, elle est absorbée, après sa sortie de la puce, par les trois phosphores de couleurs primaires présents dans la couche d'encapsulation. Ces phosphores sont ensuite convertis en lumière blanche par photoluminescence, puis émis dans l'espace. C'est là son principal avantage : à l'instar des lampes fluorescentes traditionnelles, elle ne présente aucune irrégularité spatiale de couleur. Cependant, le rendement lumineux théorique d'une LED blanche à puce ultraviolette ne peut excéder celui d'une LED blanche à puce bleue, et encore moins celui d'une LED blanche RGB. Seul le développement de phosphores à trois couleurs primaires à haut rendement, adaptés à l'excitation ultraviolette, permettra d'obtenir, à l'heure actuelle, des LED blanches ultraviolettes dont le rendement soit comparable, voire supérieur, à celui des deux types de LED blanches mentionnés précédemment. Plus les phosphores se rapprochent des LED ultraviolettes bleues, plus il est probable qu'elles aboutissent à des LED blanches ultraviolettes de type moyen ou court.