- Les LED rouges et vertes sont apparues dans les années 1960, mais l'absence de LED bleues a retardé de plusieurs décennies la transition vers un éclairage capable de produire du blanc et toutes les couleurs à partir du RGB
- La lumière bleue exigeait un band gap plus élevé, et le zinc selenide comme le gallium nitride étaient difficiles à commercialiser à cause de la réalisation du type p, des défauts cristallins et des limites de puissance lumineuse
- Chez Nichia, Shūji Nakamura a choisi le gallium nitride alors que le secteur misait surtout sur le zinc selenide, et a surmonté les problèmes de qualité cristalline en modifiant un équipement MOCVD et grâce à un two-flow reactor
- Il a ensuite combiné le recuit du gallium nitride dopé au magnésium, une couche active en indium gallium nitride et une couche de blocage en aluminum gallium nitride pour réaliser une LED bleue brillante de 450 nm et 1 500 microwatts
- Nichia est passé à une production d'un million d'unités par mois en 1994, puis aux LED blanches en 1996, tandis que l'éclairage LED est passé de 1 % des ventes mondiales d'éclairage résidentiel en 2010 à plus de la moitié en 2022
Pourquoi la LED bleue était la dernière pièce de la révolution de l'éclairage
- La couleur d'une LED ne vient pas du capot en plastique mais de sa structure électronique
- Même une LED transparente peut émettre la même lumière rouge
- Le boîtier sert surtout à distinguer les LED entre elles
- En 1962, Holonyak chez General Electric a fabriqué la première LED visible, qui émettait une faible lumière rouge
- Ensuite, des ingénieurs de Monsanto ont créé une LED verte, mais pendant des décennies les LED sont restées limitées au rouge et au vert
- Si la LED bleue devenait possible, on pouvait mélanger rouge, vert et bleu pour produire du blanc et toutes les autres couleurs
- Cela ouvrait la voie à l'extension des LED à tout l'éclairage : ampoules, téléphones, ordinateurs, TV, panneaux lumineux, etc.
- Dès les années 1960, de grands groupes comme IBM, GE et Bell Labs se sont lancés dans le développement de la LED bleue, mais même des milliers de chercheurs n'ont pas réussi
- Un dirigeant de Monsanto estimait que les LED ne remplaceraient pas l'éclairage de cuisine et ne serviraient qu'aux appareils électroménagers, tableaux de bord automobiles et voyants de chaînes stéréo
Comment une LED produit de la lumière
- Une ampoule à incandescence fait passer un courant dans un filament de tungstène pour le chauffer, ce qui produit de la lumière
- La majeure partie du rayonnement électromagnétique émis est de l'infrarouge, donc de la chaleur
- La lumière visible n'en représente qu'une très faible part
- Une LED, comme son nom light emitting diode l'indique, est conçue avant tout pour produire de la lumière, donc elle est bien plus efficace
- Une diode est un composant à deux électrodes qui laisse passer le courant dans un seul sens
- Dans un semi-conducteur, quand les atomes forment un solide, les niveaux d'énergie des électrons se regroupent en bandes d'énergie très denses
- La bande la plus haute occupée par des électrons est la valence band
- La bande au-dessus est la conduction band
- L'écart d'énergie entre les deux est le band gap
- Un semi-conducteur pur a une utilité limitée en lui-même, d'où le besoin de dopage, qui consiste à introduire des atomes d'impureté dans le réseau cristallin
- Ajouter du phosphorus au silicon crée des électrons supplémentaires et donne un semi-conducteur de type n
- Ajouter du boron au silicon crée des hole et donne un semi-conducteur de type p
- Quand on met en contact un matériau de type p et un matériau de type n, les électrons et les hole diffusent l'un vers l'autre, créant une depletion region
- Si l'on branche la batterie à l'envers, la depletion region s'élargit et le courant ne passe pas
- Avec la bonne polarité, la depletion region se réduit et les électrons passent du type n vers le type p
- Quand un électron tombe de la conduction band vers une hole dans la valence band, l'énergie du band gap peut être émise sous forme de photon
- Ce changement d'énergie se transforme en lumière, et c'est ainsi qu'une LED fonctionne
- La taille du band gap détermine la couleur de la lumière émise
- Le band gap du silicon est de 1,1 eV, donc les photons émis ne sont pas visibles mais infrarouges
- Ces LED sont utilisées dans les télécommandes TV et peuvent être captées par une caméra
- Un photon bleu exige une énergie plus élevée, donc un band gap plus grand, et c'est ce qui rendait la LED bleue si difficile
Le pari de Nichia et de Nakamura
- Shūji Nakamura était chercheur dans la petite entreprise chimique japonaise Nichia
- Nichia s'était étendu à la production de semi-conducteurs utilisés pour fabriquer des LED rouges et vertes, mais à la fin des années 1980 cette division traversait une période difficile
- L'entreprise était en retard face à des acteurs mieux établis sur un marché saturé
- Les jeunes employés demandaient à Nakamura de créer un nouveau produit, tandis que les plus anciens considéraient ses recherches comme un gaspillage d'argent
- Le laboratoire de Nakamura était principalement composé d'équipements qu'il avait lui-même récupérés et soudés
- Les explosions dues à des fuites de phosphorus étaient si fréquentes que ses collègues ne venaient même plus vérifier ce qui s'était passé
- En 1988, ses supérieurs, déçus par ses recherches, lui ont demandé d'arrêter, et il a alors proposé au fondateur et président Nobuo Ogawa de développer une LED bleue
- Ogawa a alloué 500 millions de yens, soit environ 3 millions de dollars, au projet de Nakamura
- Cela représentait selon les estimations environ 15 % du bénéfice annuel de l'entreprise
- Nakamura a décidé d'aller apprendre le MOCVD dans un laboratoire en Floride
- Le MOCVD est un équipement où l'on injecte dans une chambre chaude des molécules en phase vapeur des matériaux cristallins afin de former des couches sur un substrate
- C'était une technologie clé pour produire en masse des cristaux propres, et elle est toujours utilisée aujourd'hui
- Les couches cristallines doivent parfois être épaisses de seulement quelques atomes, et le réseau du substrate doit bien correspondre à celui du cristal qui pousse au-dessus pour obtenir une structure stable et lisse
- En Floride, Nakamura n'a pas pu utiliser un MOCVD en fonctionnement et a passé 10 des 12 mois à assembler un nouveau système
- Comme Nichia ne l'autorisait pas à publier, Nakamura n'avait ni doctorat ni article, et les chercheurs titulaires d'un PhD le traitaient comme un simple technicien
- Lorsqu'il est rentré au Japon en 1989, Nakamura rapportait avec lui la commande d'un nouveau reactor MOCVD pour Nichia et une forte volonté d'obtenir un doctorat
- À l'époque, au Japon, il était possible d'obtenir un PhD sans passer par l'université en publiant cinq articles
- Même en cas d'échec sur la LED bleue, il avait donc une autre voie pour obtenir son doctorat
Le choix du gallium nitride, ignoré par le courant dominant
- Jusqu'aux années 1980, les principaux candidats pour la LED bleue s'étaient surtout réduits au zinc selenide et au gallium nitride
- Le zinc selenide semblait être l'option la plus prometteuse
- Lorsqu'il était cultivé en MOCVD sur un substrate en gallium arsenide, le désaccord de maille n'était que de 0,3 %
- Les défauts cristallins restaient autour de 1 000 par centimètre carré, soit dans la limite acceptable pour faire fonctionner une LED
- En revanche, si le zinc selenide de type n pouvait être obtenu de plusieurs façons, personne ne parvenait à réaliser un type p
- Le gallium nitride était un matériau que la plupart des chercheurs avaient abandonné
- Le désaccord de maille avec un substrate en sapphire atteignait 16 %
- Les défauts dépassaient 10 milliards par centimètre carré
- Le type n pouvait être obtenu avec du silicon, mais le type p restait un problème majeur
- Une LED bleue commerciale exigeait une puissance lumineuse totale d'au moins 1 000 microwatts, alors que les prototypes existants étaient inférieurs de deux ordres de grandeur
- Nakamura s'est dit que, s'il devait publier seul cinq articles, mieux valait choisir le gallium nitride, où la concurrence était moindre
- Lors du plus grand congrès japonais de physique appliquée, plus de 500 personnes assistaient aux présentations sur le zinc selenide
- Seules 5 personnes assistaient à celles sur le gallium nitride
- Parmi ces 5 personnes figuraient l'expert du gallium nitride Akasaki et son ancien doctorant Hiroshi Amano
- Akasaki et Amano avaient trouvé une percée en ne faisant pas croître directement le gallium nitride sur le sapphire, mais d'abord une aluminum nitride buffer layer
- L'aluminum nitride a un espacement de maille intermédiaire entre le sapphire et le gallium nitride, ce qui facilite la croissance de cristaux de gallium nitride plus propres
- Mais l'aluminum causait des problèmes dans le reactor MOCVD, compliquant la montée en production
Trois percées successives sur le cristal, le type p et la luminosité
- Au départ, Nakamura n'arrivait pas à faire croître correctement le gallium nitride dans son nouveau reactor MOCVD
- Au bout de six mois, il a démonté l'équipement et a commencé à fabriquer lui-même une meilleure version
- Il arrivait au laboratoire tous les jours à 7 h du matin
- Le matin, il soudait, découpait et modifiait le câblage
- L'après-midi, il expérimentait avec le reactor modifié
- À 19 h, il rentrait chez lui pour manger, se laver et dormir
- Il travaillait sans week-end ni jours fériés, sauf le jour de l'An, un congé majeur au Japon
- Un an et demi plus tard, à l'hiver 1990, les échantillons de gallium nitride de Nakamura affichaient une mobilité électronique quatre fois plus élevée que le gallium nitride directement cultivé sur sapphire auparavant
- La clé a été l'ajout d'une deuxième buse au reactor MOCVD
- Les gaz réactifs du gallium nitride remontaient dans la chambre chaude, se mélangeaient dans l'air et se transformaient en déchets poudreux
- La deuxième buse envoyait un flux de gaz inert vers le bas pour plaquer le premier flux contre le substrate et former un cristal uniforme
- Les scientifiques évitaient cette approche, pensant qu'un second flux augmenterait la turbulence, mais Nakamura a conservé un écoulement laminar grâce à une buse spéciale
- Il a appelé cela le two-flow reactor
- Grâce à cette architecture two-flow, Nakamura a pu utiliser du gallium nitride lui-même comme buffer layer sur le substrate en sapphire au lieu de l'aluminum nitride
- Il a ainsi obtenu des cristaux de gallium nitride plus propres tout en évitant les problèmes liés à l'aluminum
- La pression interne dans l'entreprise augmentait constamment
- Le fondateur de Nichia, Nobuo Ogawa, s'est retiré au poste de président du conseil et son gendre Eji Ogawa est devenu CEO
- Un dirigeant de Matsushita a déclaré chez Nichia que le zinc selenide était la voie d'avenir et que le gallium nitride n'avait pas d'avenir
- Le même jour, Eji a envoyé à Nakamura une note lui ordonnant d'arrêter immédiatement ses travaux sur le gallium nitride
- Nakamura a ignoré cette note, puis les consignes et appels qui ont suivi
- Nakamura a publié ses travaux sur le two-flow reactor à l'insu de Nichia, et ce fut son premier article
- Le deuxième obstacle était le gallium nitride de type p
- Akasaki et Amano avaient fabriqué le premier gallium nitride de type p au monde en exposant du gallium nitride dopé au magnésium à un faisceau d'électrons
- Mais ils ne savaient pas pourquoi cela fonctionnait, et le procédé consistant à irradier chaque cristal avec des électrons était beaucoup trop lent pour une production industrielle
- Nakamura a jugé le faisceau d'électrons excessif et a essayé un recuit du gallium nitride dopé au magnésium à 400 °C
- Le résultat fut un échantillon parfaitement de type p
- Le faisceau d'électrons ne transformait en type p que la surface de l'échantillon, tandis que le chauffage fonctionnait mieux et pouvait être industrialisé rapidement
- Cette recherche a aussi révélé pourquoi le gallium nitride de type p était si difficile à obtenir
- L'ammonia utilisé comme source de nitrogen en MOCVD contient aussi de l'hydrogen
- Les atomes d'hydrogen se liaient au magnésium et bloquaient les hole
- En apportant de l'énergie, l'hydrogen quittait le matériau et les hole redevenaient libres
- Lors d'un workshop à St. Louis en 1992, Nakamura a présenté un prototype de LED bleue et a reçu une ovation debout
- Mais la couleur tirait encore vers le bleu-violet et la puissance lumineuse n'était que de 42 microwatts, en dessous du seuil pratique de 1 000 microwatts
- Le troisième obstacle était l'augmentation de la puissance lumineuse
- Une méthode connue pour améliorer l'efficacité d'une LED consistait à créer dans la jonction p-n une fine couche appelée active layer afin de réduire légèrement le band gap
- L'active layer la plus adaptée au gallium nitride était réputée être l'indium gallium nitride
- Cette couche facilitait le franchissement du band gap et permettait d'ajuster le bleu-violet vers un vrai bleu
- Amano se souvenait qu'on considérait le gallium nitride et l'indium nitride comme aussi miscibles que l'eau et l'huile
- Nakamura a tiré parti de son reactor MOCVD modifiable à volonté pour injecter autant d'indium que possible dans le gallium nitride, et a obtenu un cristal propre d'indium gallium nitride
- Une fois l'active layer intégrée à la LED, le puits fonctionnait si bien que les électrons débordaient et fuyaient vers la couche de gallium nitride
- En quelques mois, il a fabriqué de l'aluminum gallium nitride afin de l'utiliser comme couche de blocage à band gap plus élevé
- Cette couche empêchait les électrons de s'échapper une fois entrés dans le puits
Industrialisation, conflit sur la rémunération et diffusion de l'éclairage LED
- En 1992, Nakamura a achevé une LED bleue brillante
- Elle était assez lumineuse pour être visible à la lumière du jour
- Sa puissance lumineuse était de 1 500 microwatts
- Sa longueur d'onde était exactement de 450 nm
- Elle était plus de 100 fois plus lumineuse que les pseudo-blue LED du marché à l'époque
- Nichia a organisé à Tokyo une conférence de presse pour annoncer la première true blue LED au monde, provoquant un choc dans l'industrie électronique
- L'effet sur l'activité de Nichia a été immédiat
- Les commandes ont afflué et, fin 1994, l'entreprise produisait 1 million de LED bleues par mois
- En trois ans, son chiffre d'affaires a presque doublé
- En 1996, Nichia a étendu la technologie aux white LED en ajoutant un yellow phosphor sur la LED bleue
- Cette substance chimique absorbe les photons bleus puis les réémet sous la forme d'un large spectre couvrant l'ensemble du visible
- Nichia a rapidement commercialisé la première white LED au monde
- Au cours des quatre années suivantes, le chiffre d'affaires de Nichia a encore doublé
- En 2001, il approchait les 700 millions de dollars par an
- Plus de 60 % provenaient des produits à base de LED bleues
- Aujourd'hui, Nichia fait partie des grands fabricants de LED réalisant plusieurs milliards de dollars de chiffre d'affaires annuel
- La rémunération reçue par Nakamura est restée limitée
- Son salaire annuel, même après avoir doublé, était de 60 000 dollars
- La prime par brevet était de 170 dollars
- En 2000, après plus de 20 ans chez Nichia, Nakamura est parti aux États-Unis
- Il a commencé à conseiller Cree
- Nichia l'a poursuivi en justice pour divulgation de secrets d'entreprise
- Nakamura a répliqué par une contre-attaque judiciaire, réclamant 20 millions de dollars au titre d'une rémunération équitable pour son invention
- En 2001, un tribunal japonais a donné raison à Nakamura et a ordonné à Nichia de lui verser 10 fois le montant initialement réclamé
- Nichia a fait appel, et l'affaire s'est finalement réglée par un accord à 8 millions de dollars
- Cette somme a surtout servi à couvrir ses frais juridiques
- La LED bleue fait aujourd'hui partie d'une industrie de 80 milliards de dollars
- On la retrouve dans l'éclairage domestique, les lampadaires, les téléphones, les ordinateurs, les TV, les feux de signalisation et les écrans
- Les avertissements sur le fait que la lumière bleue des écrans peut perturber le circadian rhythm sont eux aussi liés aux LED bleues en gallium nitride
- Les ampoules LED pour l'éclairage sont plus efficaces que les ampoules incandescent ou fluorescent, durent beaucoup plus longtemps, sont plus sûres à manipuler et entièrement personnalisables
- Trente ans après l'arrivée des white LED, les ampoules haut de gamme permettent de choisir parmi 50 000 nuances de blanc
- Le prix est descendu à seulement quelques dollars de plus que celui des autres ampoules
- Avec un usage quotidien moyen et un tarif d'électricité normal, le surcoût peut être amorti en environ deux mois
- Les ventes d'éclairage LED augmentent rapidement
- En 2010, les LED représentaient 1 % des ventes mondiales d'éclairage résidentiel
- En 2022, elles dépassaient la moitié
- Les experts estiment que, d'ici dix ans, presque toutes les ventes d'éclairage concerneront des LED
- L'éclairage représente 5 % des émissions totales de carbone
- Un passage complet aux LED permettrait d'économiser 1,4 milliard de tonnes de CO2 selon les estimations
- Cela reviendrait à retirer de la circulation presque la moitié des voitures du monde
Les recherches ultérieures de Nakamura et sa reconnaissance
- Nakamura travaille aujourd'hui sur la prochaine génération de LED, à savoir les micro LED et les UV LED
- La taille standard d'une LED est de 300 × 200 microns, et les plus petites descendent à 5 microns
- Elles sont assez petites pour être comparées à l'épaisseur d'un cheveu humain
- Elles peuvent servir aux near-eye display, à l'AR et à la VR
- Les UV LED peuvent être utilisées pour désinfecter les surfaces dans les hôpitaux ou les cuisines
- Quand on allume une UV light, les agents pathogènes peuvent mourir en quelques secondes
- Pendant la période du COVID-19, le cours des actions des entreprises d'UV LED a fortement grimpé, car beaucoup pensaient qu'elles serviraient à désinfecter le COVID-19
- Les diodes électroluminescentes utilisent de l'indium gallium nitride, tandis que pour l'UV on utilise de l'aluminum gallium nitride, dont le band gap est plus grand
- Les UV LED fonctionnent, mais le problème est le coût
- Leur efficacité est inférieure à 10 % et leur prix reste très élevé
- Si leur efficacité dépasse 50 %, leur coût pourrait devenir presque équivalent à celui des lampes au mercury
- Nakamura a aussi récemment lancé une entreprise dans la nuclear fusion et dit s'intéresser à la physique
- En 2014, Nakamura, Akasaki et Amano ont reçu le prix de physique pour la création de la LED bleue
- Nakamura a depuis publiquement remercié Nichia pour avoir soutenu ses recherches et a proposé de venir rétablir les relations, mais Nichia a refusé, et les rapports restent froids
- Au moment de la présentation de la blue LED en 1994, Nakamura avait publié plus de 15 articles et avait enfin obtenu son doctorat en ingénierie
- Il a depuis publié plus de 900 articles
- Sa couleur préférée est le bleu, dit-il, parce que la mer devant sa maison d'enfance dans son village de pêcheurs était toujours bleue
1 commentaires
Avis de Hacker News
C’était vraiment une excellente histoire. Si nous avons aujourd’hui des LED bleues, c’est parce qu’une personne a tout mis en jeu et a persévéré ; il est étonnant de voir à quel point, parfois, tant de choses peuvent dépendre d’une seule personne.
Cela a aussi été possible parce que ce chercheur avait acquis une réelle maîtrise électromécanique. On se demande ce que l’on aurait pu accomplir plus vite si ce type de compétence avait été plus répandu.
Le fait de ne pas avoir de doctorat l’a surtout pénalisé parce que ses collègues ne valorisaient pas correctement d’autres formes de savoir-faire.
Un professeur de chimie que je connais accorde de l’importance à ce genre de choses. Il dispose d’un stock de pièces et d’équipements, et quand il a l’occasion d’obtenir du matériel bon marché et pertinent, il le récupère.
Les étudiants fabriquent souvent eux-mêmes l’équipement dont ils ont besoin. Ce n’est peut-être pas de qualité scientifique, mais c’est généralement suffisant pour valider une piste de recherche, ou pour justifier plus tard l’achat ou l’accès à du matériel officiel.
Ces étudiants savent très bien quelle valeur ils en retirent, et c’est la même valeur que l’on a vue chez l’inventeur de la LED bleue : beaucoup moins de dépendances, et une capacité d’initiative et de contrôle bien plus directe.
Historiquement aussi, une grande partie de la compréhension scientifique dont nous dépendons et que nous appliquons en ingénierie est venue de personnes capables non seulement de penser et d’observer, mais aussi de construire elles-mêmes, à quoi il faut ajouter la capacité de calcul.
Le monde universitaire, la recherche publique comme la recherche privée ont tous besoin de bien davantage de cette approche.
Il s’avère que non seulement les ampoules à incandescence, mais aussi l’éclairage LED, ont finalement été rendus possibles par un véritable effort à la Edison.
Jusqu’aux années 1980, la manière de gérer l’équipement dans la recherche industrielle était différente d’aujourd’hui. Les entreprises énergétiques bien financées comme Exxon ou Shell, lorsqu’elles réaménageaient des laboratoires ou remplaçaient du matériel, entassaient les équipements d’occasion dans des entrepôts de surplus ; au bout de 5 à 10 ans en moyenne, ils étaient étiquetés pour mise au rebut.
Autrefois, on attendait des chercheurs principaux qu’ils cherchent d’abord dans ces immenses entrepôts ce qui pouvait servir avant de demander du matériel neuf, d’où le fait que ces équipements étaient conservés comme ressource. Mais plus personne ne faisait cela ; les prix de l’énergie flambaient et les compagnies pétrolières avaient beaucoup d’argent, si bien qu’elles n’achetaient plus que du matériel neuf depuis des années.
Les entrepôts étaient grands, mais finissaient par se remplir, et il fallait régulièrement libérer de la place, donc le matériel était vendu aux enchères. Paiement comptant le jour de la vente, en l’état, sur place, sans aucune garantie.
Même en ne prélevant soigneusement qu’une infime partie de ce qui passait par ces entrepôts, j’ai récupéré plusieurs fois le tonnage d’équipement qu’un doctorant moyen peut manipuler au cours de sa carrière.
Beaucoup de docteurs ne veulent pas toucher eux-mêmes au matériel et le font faire par des stagiaires. Il est donc rare que la personne la plus avancée scientifiquement dans un laboratoire mette ses compétences manuelles à profit ; et, inversement, il est rare que la personne la plus habile de ses mains voie cette compétence exploitée au maximum sur le plan scientifique.
À l’époque, je collaborais avec des gens de ce secteur qui venaient dans mon laboratoire, ainsi qu’avec des clients hors recherche, et il n’y avait aucune honte à utiliser du matériel d’occasion portant encore les étiquettes d’inventaire de son propriétaire d’origine. Au contraire, nous démontrions constamment des performances égales ou supérieures à celles de leurs travaux internes.
Ils n’avaient même pas l’idée d’utiliser le matériel excédentaire de leur propre entreprise, ni de descendre voir à quel point les quantités stockées dans les entrepôts étaient écrasantes. Ce n’était tout simplement pas dans leur culture.
Je trouve que la vidéo est vraiment bien faite. Rendre la science accessible au grand public au bon niveau est difficile, et Derek l’a très bien fait.
L’explication des LED vers 4 minutes était particulièrement bonne. Quelqu’un qui connaît bien la physique des semi-conducteurs peut-il dire à quel point cette explication modélise correctement la réalité ?
Quand on dit qu’un électron « ressent » les atomes environnants, on parle d’une conséquence du fait que le matériau est cristallin, c’est-à-dire qu’il possède une structure régulière et ordonnée. Cette structure régulière crée un potentiel périodique, que l’on insère dans l’équation de Schrödinger, puis on applique à la fonction d’onde des conditions de continuité et une symétrie de translation.
En calculant les solutions de l’équation de Schrödinger dans ces conditions, on obtient des niveaux d’énergie autorisés et interdits, et la relation entre énergie et quantité de mouvement à l’intérieur du réseau cristallin apparaît aussi. En lisant la page Wikipédia du modèle de Kronig-Penney, on peut suivre le raisonnement.
Comme cela dépend de la périodicité, le résultat peut varier selon la direction dans le cristal. Cela ne rend pas l’explication inexacte pour autant : quand on fait croître un composant semi-conducteur, on aligne l’orientation du cristal pour que le courant circule dans la direction souhaitée, si bien que le résultat simplifié consistant à considérer la bande interdite comme un nombre unique reste valable.
La représentation des bandes qui s’inclinent vers le bas lorsqu’un potentiel ou une tension est appliqué correspond aussi bien à la manière dont on trace les variations de potentiel dans les schémas de composants semi-conducteurs. Voir Solid State Electronic Devices de Streetman et Banerjee.
C’est une excellente introduction au comportement des semi-conducteurs, mais comme d’autres l’ont dit, elle omet un détail très important : les bandes interdites directes et indirectes. Ce qui est omis dans la vidéo, c’est qu’un cristal est une structure répétitive hautement ordonnée, mais qu’il ne paraît pas identique dans toutes les directions. Il n’y a donc pas une seule bande interdite, mais plusieurs selon la direction du cristal que l’on examine.
On peut se demander pourquoi la direction est importante ; c’est là qu’on replonge dans les profondeurs de la mécanique quantique. Dans un semi-conducteur, lorsqu’un photon unique est absorbé, la quantité de mouvement et l’énergie doivent toutes deux être conservées. La quantité de mouvement d’un photon de l’ordre de la bande interdite du silicium est très faible, tandis que celle des électrons de conduction à température ambiante est bien plus grande. Donc, en simplifiant un peu, la transition due à l’absorption d’un photon se produit sans changement de quantité de mouvement, et l’on ne voit que la structure de bandes dans une direction cristalline donnée et les porteurs libres associés.
Le silicium, en particulier, possède une bande interdite indirecte, et l’électron de la bande de conduction d’énergie minimale et le trou de la bande de valence n’ont pas la même quantité de mouvement. Résultat : on peut absorber des photons pour fabriquer un détecteur, mais on ne peut pas lui faire émettre efficacement des photons comme une LED. Sur ce point, la vidéo se trompe.
Cela dit, le sujet central de la vidéo est la LED bleue dans le système de matériaux GaN, et le GaN est clairement un matériau à bande interdite directe, donc ce n’est pas un gros problème. Si quelqu’un parvient à fabriquer un composant électroluminescent réalisable en silicium pur, ce sera une révolution absolue pour le calcul optique et la photonique. C’est un Graal recherché depuis au moins plus de 20 ans.
https://en.wikipedia.org/wiki/Quasiparticle
https://www.chu.berkeley.edu/wp-content/uploads/2020/01/Chen...
https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/wessner/node31.html
C’est un peu une situation du genre : « Merci pour les milliards de dollars de chiffre d’affaires, mais tu te souviens que je t’avais dit de ne pas essayer de résoudre le problème de la LED bleue avec du GaN ? Tiens, prends tes 147 dollars de droits de brevet et vide ton bureau. Tu es viré. »
Je ne suis pas très doué pour chercher, donc je n’arrive pas bien à le retrouver, mais j’ai trouvé cette interview :
https://www.jsap.or.jp/jsapi/Pdf/Number02/Interview.pdf
J’ai aimé le passage de la dernière interview où Nakamura explique qu’il a grandi dans un village de pêcheurs avec vue sur la mer, et que c’est pour cela qu’il en est venu à aimer le bleu.
Après l’arrivée des LED bleues sur le marché dans les années 1990, il a fallu moins de dix ans pour qu’elles deviennent, dans les magasins d’électronique, des articles de démonstration à quelques dollars.
À peu près à la même époque, les communautés de techniciens informatiques sur le Web ont elles aussi beaucoup grandi. Des endroits comme les forums Web.
Cette rencontre fortuite a débouché sur un coup de foudre. Avec le recul, même si cela ne remonte qu’à une vingtaine d’années, pendant quelques années autour de 2000–2005, la mode incontournable de la culture des nerds de l’informatique, c’était la fièvre des LED bleues.
Ça faisait élite, avant-gardiste, rare, incroyablement technologique. Quand on repense aujourd’hui aux boîtiers PC avec fenêtre bourrés de LED et illuminés de façon criarde par des tubes cathodiques froids, aux souris, enceintes et toutes sortes d’appareils électroniques patiemment convertis au bleu, ça fait sourire.
Quelques années plus tard, vers 2005, le marché commercial s’est emparé de cette mode et l’a rendue ennuyeuse et ringarde. Les hackers et overclockers n’y prêtaient plus attention, et les LED ultralumineuses ont même commencé à devenir pénibles.
En environ cinq ans, la mode des LED bleues dans la culture du modding a commencé, culminé, été commercialisée, puis est devenue une nuisance. À ce moment-là, nous avons commencé à masquer à la hâte nos mods éblouissants avec un autre produit bleu : le Blu-Tack.
Où a donc fini ce bref croisement entre les LED bleues et la culture hacker ? Sur le marché commercial, il s’est transformé en tendance “RGB” du matériel informatique lumineux : ventilateurs RGB, boîtiers RGB, panneaux RGB sur les cartes graphiques, etc. Je trouve quand même que les LED bleues restent plutôt cool.
https://en.wikipedia.org/wiki/Blu_Tack
C’était tellement agaçant qu’on les recouvrait avec différents types de ruban adhésif. Je suis content que cette époque soit révolue.
C’est pour ça que je n’ai jamais vraiment compris l’éclairage décoratif de mon ancien bureau.
C’était un mur parsemé de petites lumières de différentes couleurs, donc l’usage de LED encastrées se défendait. Mais au lieu de mettre un diffuseur neutre sur des LED de couleur, ils utilisaient des LED triples rouge + vert + bleu pour produire du blanc, puis remettaient devant du plastique rouge/vert/bleu pour recolorer la lumière.
Je comprends que l’assemblage ou la maintenance puissent revenir moins cher, mais voir un système composé de pièces qui annulent le travail les unes des autres me rebute toujours. J’ai l’impression que c’est un manque de respect envers la technologie.
Technology Connections a réalisé trois vidéos ces cinq dernières années centrées sur son aversion pour les LED bleues utilisées dans les guirlandes de fêtes. Je crois n’avoir vu que celle d’il y a deux ans, mais maintenant je les remarque même quand je ne veux pas.
Le bleu est juste trop bleu. Quand on voit un ensemble entièrement en lumières bleues, c’est presque difficile à supporter. La bonne approche, c’est de mettre du plastique bleu devant une lumière blanche.
https://youtu.be/PBFPJ3_6ZWs?si=sTeRrqQ5umHsNCgz
https://youtu.be/cQgcTkXacAc?si=CDj0G9Sh7S-wbLjN
https://youtu.be/va1rzP2xIx4?si=cAp65hnmwtkrXgDc
C’est une histoire étonnante et inspirante de persévérance et de refus d’abandonner.
https://images.squarespace-cdn.com/content/v1/595d3fb837c581...
Cela dit, voir à quel point Nichia Corp a été incapable de reconnaître ce qu’elle devait à Nakamura est vraiment frustrant. C’était l’outsider qui, en surmontant tous les obstacles, a rendu possible plus de 65 % du chiffre d’affaires de l’entreprise.
Les gens comme le CEO de Nichia de l’époque, le neveu qui hérite de l’entreprise de façon népotique et abandonne les méthodes qui avaient fait le succès de son oncle, sont vraiment stupides. Malgré ces calculs sans imagination et cette mesquinerie qui l’ont freiné à chaque instant, la réussite n’est pas venue grâce à eux, mais malgré eux.
En plus de désobéir, il a fait passer ses supérieurs pour des idiots. Bien sûr, il est aussi assez clair que nous n’entendons que la version de Nakamura.
Les dix premières minutes sont la meilleure explication des conducteurs, isolants et semi-conducteurs que j’aie jamais vue. Le reste était une histoire humaine captivante, avec de la science en plus.
L’esprit maker et expérimentateur m’a fortement marqué, et à la fin il y a aussi une phrase pour les gens qui travaillent sur le changement climatique et la fusion nucléaire.
Pour l’adulte que je suis, cette vidéo est l’équivalent de Back to the Future quand j’étais enfant. Elle contient tout ce qu’il faut.
Cette vidéo m’a rappelé un entretien d’il y a quelques années. J’avais discuté avec une startup de robotique intéressante à Tokyo, mais j’ai été écarté parce que j’avais un master alors qu’un autre candidat avait un doctorat.
Le poste payait 65 000 dollars par an, avec presque pas d’actions et très peu d’avantages. Quelques semaines plus tard, j’ai trouvé à San Francisco un poste avec une rémunération totale de plus de 250 000 dollars et beaucoup d’avantages.
La rémunération des ingénieurs au Japon est assez basse, et le cliché selon lequel on y broie les travailleurs reste vrai.
En plus, beaucoup d’entre eux parlent couramment anglais. Dans la Bay Area, ils pourraient gagner deux fois plus en travaillant moitié moins.
Pour reprendre plusieurs formulations vues ici, « si nous avons aujourd’hui des LED bleues, c’est parce qu’une personne a consacré plusieurs années de sa vie à son idée, malgré une opposition considérable »
C’est une excellente chose pour nous, mais il faut aussi regarder le coût réel de cette réussite. Sans doute des centaines, voire des milliers de personnes ont elles aussi travaillé dur et consacré plusieurs années de leur vie, mais ont échoué. Pour le dire à la Willy Wonka, elles ont perdu et n’ont rien gagné.
Si des milliers de personnes ont travaillé dur et consacré plusieurs années de leur vie avant d’échouer, la plupart ne l’ont probablement pas fait dans un laboratoire
Certaines ont sans doute gagné leur vie dans des entreprises de fast-food, et pire encore, peut-être à des postes où on les empêchait même de réparer une machine à milk-shake en panne
À l’inverse, une part considérable des équipements et des installations revient à des docteurs qui ne sont pas d’excellents expérimentateurs. Résultat : même une quantité énorme d’installations coûteuses ne sert à rien, et la grande majorité des personnes réellement capables d’accomplir quelque chose finissent sans jamais avoir l’occasion de le faire