Brillance technique : le saphir HPA comme plate-forme pour la production de LED

Jan 31, 2024

L'alumine de haute pureté (HPA) est un matériau dont vous n'avez peut-être pas entendu parler, mais c'est un élément omniprésent et important dans notre vie quotidienne. C'est le principal ingrédient de la production des glaces saphir, qui sont essentielles aux diodes électroluminescentes (DEL), de petites sources lumineuses qui éclairent tout, de nos appareils personnels à nos villes.

La demande de HPA est en augmentation constante en raison de l’augmentation de la demande de saphirs, tirée par l’industrie des LED. La valeur des saphirs en tant que matériau pour la production de LED peut être condensée selon les quatre raisons clés suivantes :

Premièrement, le saphir partage une dimension de réseau cristallin similaire avec le nitrure de gallium (GaN), le principal matériau utilisé dans la création de LED bleues et blanches à haute luminosité. Cette compatibilité de réseau entraîne moins de défauts structurels, améliorant ainsi l'efficacité de la production de LED.1

De même, la transparence est une autre caractéristique cruciale, garantissant que la lumière générée ne fait face à aucune obstruction provenant du dessous de la LED, donnant au saphir un avantage par rapport au silicium en tant que substrat de LED.

De plus, la conductivité thermique élevée du saphir est vitale pour les LED, qui génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement. Une dissipation thermique efficace est nécessaire pour éviter d’endommager la structure des LED et maintenir sa durée de vie et son efficacité.

Enfin, les propriétés d'isolation électrique supérieures du saphir lui permettent d'isoler efficacement les parties actives de la LED des autres composants, réduisant ainsi le risque de courts-circuits électriques.

Le parcours de l’alumine de haute pureté à la LED est complexe et fascinant, impliquant un mélange de chimie, d’ingénierie et de fabrication de précision qui dépasse souvent les frontières internationales.

La chaîne de production commence avec le HPA, une poudre d'oxyde d'aluminium (Al2O3) de qualité supérieure, produite en mettant l'accent sur la pureté. Le 4N HPA (pur à 99,99 %) est généralement utilisé pour les applications LED, tandis qu'une variante encore plus pure, le 5N HPA (pur à 99,999 %), est utilisé pour l'optique.

La pureté du HPA n’est pas simplement un chiffre ; c'est la pierre angulaire d'une production LED réussie. La moindre impureté peut induire des défauts dans le produit final, impactant les performances et l'efficacité des LED.

La production de LED, par exemple, est très sensible aux effets des Low Angle Grain Boundaries (LAGB) – de petits grains de cristal dans la plaquette de saphir qui sont mal alignés par rapport au volume principal de la plaquette. Ils réduisent l'adhésion et compromettent la qualité structurelle de la couche épitaxiale déposée sur la plaquette de saphir, réduisant ainsi les performances du dispositif LED. La pureté du HPA a une influence directe sur l'apparition de tels défauts.

Un autre facteur qui devient de plus en plus important pour les utilisateurs de HPA est le maintien d’une chaîne d’approvisionnement verte sans émissions de carbone.

Dans la quête d'une alumine de haute pureté et respectueuse de l'environnement, des entreprises comme Advanced Energy Minerals, basée à Cap-Chat, Québec, Canada (Fig. 1), ouvrent la voie. L'entreprise s'approvisionne exclusivement en matières premières à partir de l'hydroélectricité et s'engage à produire des HPA 100 % verts, alimentés exclusivement par de l'énergie verte à partir du troisième trimestre 2023.

La production de glaces saphir synthétiques, appelées « boules », à partir de poudre HPA ou de monolithes est un processus complexe où la taille compte.

Les boules de saphir servent de matériau de départ pour des plaquettes minces (250-150 µm) qui deviennent ensuite des substrats LED lors de la production. Le diamètre des plaquettes LED finies est déterminé par la taille des boules. Ce diamètre peut aller de 2" (presque obsolète maintenant) à 6-8" (courant aujourd'hui) à 12" (futur standard).

La compétition nécessite de cultiver des boules plus grosses, ce qui est plus viable économiquement.

Pour le contexte, une boule de 90 kg pouvant accueillir un noyau de 8 pouces de diamètre, a un diamètre inférieur de 30 cm et mesure 45 cm de hauteur. La plus grosse boule de saphir produite au moment de la rédaction pèse 800 kg et mesure 70 à 80 cm de hauteur. Il a été fabriqué en Chine (Fig. 2).

La culture de telles boules demande de la précision, du savoir-faire et du temps. Le saphir LED est souvent produit selon la méthode de croissance Kyropoulos2, qui permet de produire les plus gros cristaux de la plus haute qualité.