Hiroshi Amano, co-lauréat du prix Nobel de Physique 2014, donnait le 11 avril dernier à Grenoble une conférence publique sur le développement des diodes électroluminescentes (LED). Notre équipe brevet basée à Grenoble, particulièrement impliquée dans cette thématique d’optoélectronique, dont moi-même ayant eu l’occasion au cours de ma carrière de travailler sur le développement de LED à base de nanofil, attendions donc avec impatience cette conférence.

La genèse de la LED bleue

Le prix Nobel 2014 a récompensé les travaux de H. Amano, I. Asaki et S. Nakamura sur les LEDs bleues, qui ont permis à la technologie LED un véritable essor notamment dans les domaines de l’éclairage et de l’affichage.
Dans un amphi sous le charme, H. Amano a retracé avec beaucoup d’anecdotes personnelles le parcours jalonné de succès (et d’échecs !) qui l’a mené aux découvertes fondant les bases d’un nouvel « éclairage solide ».
Nous avons pu revivre avec lui l’annonce de son prix Nobel qui fut assez rocambolesque, à la descente d’un avion tandis qu’il se rendait précisément à Grenoble – ville qui garde par conséquent une place toute particulière dans son esprit.
L’objet de sa visite était en effet la start up grenobloise Aledia*, issue du département Optronique du CEA, pour laquelle H. Amano est conseiller scientifique. Entre l’accueil et l’annonce par M P. Gilet (Aledia) de l’attribution du prix Nobel, et le retour à l’université de Nagoya au Japon, la seule chose dont H. Amano nous a confié se souvenir est que le président de l’université lui a intimé « le devoir de revenir à Nagoya en business class » !
Après un petit historique sur l’évolution des LEDs verte (1974, GaP dopé N), jaune (1981, GaAsP), bleue (1993, InGaN) et blanche (1999, InGaN + phosphore), H. Amano a explicité la genèse et l’aboutissement de ses recherches.
Dans les années 70, le nitrure de gallium (GaN) est un matériau plein de défauts cristallins que l’on ne parvient pas à doper avec des porteurs de charge positive, de type « p ». En conséquence, tous les scientifiques abandonnent les recherches sur ce matériau, tous excepté le professeur Imanu Akasaki.
H. Amano est alors étudiant auprès de I. Akasaki, et développe un réacteur pour la synthèse de GaN par épitaxie en phase vapeur (MOVPE). Le budget manque, certains éléments du réacteur sont bricolés (les bobines RF sont modelées autour d’une canette de bière…), mais un premier résultat fondamental sur la croissance de GaN en couche mince est obtenu… et publié dans la plus totale indifférence !

H. Amano comprend que le challenge digne d’intérêt est le dopage « p » du GaN ; pour réussir, il faut comprendre et surmonter le problème d’autocompensation entre les charges électriques associées aux impuretés et aux défauts du matériau.

Après une phase de lente maturation ponctuée de résultats partiels, le choix du dopant se porte sur le magnésium (Mg) qui présente la plus basse énergie d’activation dans GaN, et le succès devient spectaculaire lorsque H. Amano trouve un traitement (Low-Energy Electron Beam Irradiation) contre la passivation du magnésium par l’hydrogène : le taux de recombinaisons radiatives à la jonction pn de la diode augmente exponentiellement… et la lumière fut !

Une faible émission de lumière bleue est perçue en 1989 par l’équipe. Le professeur Akasaki, qui ne la voit pas, se rend compte à cette occasion qu’il souffre d’un manque de sensibilité à la lumière bleue ! Il obtiendra finalement le prix Nobel sur cette LED bleue…

. Amano nous explique, démonstration à l’appui, que la lumière blanche des LEDs pour l’éclairage provient d’une combinaison des seules diodes bleues avec un phosphore jaune. Cette combinaison produit un blanc « froid », dont le spectre tire imperceptiblement vers le bleu, et dont les effets peuvent être ressentis sur le rythme circadien… c’est le syndrome de la lumière bleue qui influe sur le métabolisme par inhibition de la sécrétion de mélatonine. Cet inconvénient est surtout ressenti par les moins de 30 ans, nous dit H. Amano malicieusement.
Quoi qu’il en soit, cette technologie est à la base de progrès conséquents en matière d’économies d’énergie (les LEDs dans l’éclairage permettront d’abaisser de 7% la consommation d’énergie totale du Japon en 2020).
Les applications des LEDs UV pour la purification de l’eau potable pourraient également générer un progrès sanitaire considérable (2.5 milliards d’individus n’ont pas de moyens sanitaires appropriés).

D’autres applications technologiques liées aux matériaux III-V sont également étudiées par l’équipe du professeur Amano. Ces matériaux (en particulier les nitrures GaN et AlN) sont en effet parfaitement adaptés à la conception de dispositifs RF, tels que des transistors à gaz bidimensionnel d’électrons, et de dispositifs de puissance, tels que des transformateurs DC/AC pour le photovoltaïque.

Les questions que posent le public à l’issue de cette conférence portent sur le recyclage des LEDs – encore cher, les ressources géologiques en Gallium – minerai rare, la transition des technologies basées sur le silicium vers les technologies basées sur le gallium – en fonction des applications, et les futurs projets de l’équipe…
En conclusion, H. Amano nous a tous invité à venir visiter son laboratoire et plus largement Nagoya, démontrant par ailleurs des qualités de guide touristique insoupçonnées !

Des LEDs qui génèrent du bleu …, et beaucoup de brevets !

Notre suivi en matière de brevet dans ce domaine montre que ces travaux précurseurs ont généré un nombre de brevets considérable octroyant une position dominante aux sociétés en charge de la commercialisation de ces technologies LED bleues. Les brevets les plus élémentaires portant sur les LED (brevet US n° 4855249, Université de Nagoya, brevets US n° 5290393 et n° 5998925, Nichia) conférèrent un avantage concurrentiel déterminant dans le développement de ces sociétés qui affichent des chiffres d’affaires colossaux.

L’Université de Nagoya fut en mesure de tirer des recettes substantielles de la concession de licences de brevets sur les LED bleues dont elle était titulaire, marquant ainsi profondément son histoire. En 2006, ses revenus au titre des droits de licences rattachés aux LED bleues à base de GaN se montèrent à près de 48 millions de dollars, et représentaient 90% des redevances perçues par le Gouvernement Japonais au titre de ses brevets.
La variété et la complexité des technologies et des applications relatives aux LED se sont traduites par une stratégie offensive en matière de brevets.

Depuis les années 90, près de 25 000 brevets US ont en effet été délivrés dans ce domaine.

De l’avis même de ces éminents scientifiques, « les brevets sont essentiels car ils procurent aux entreprises un avantage concurrentiel sur le marché » (S. Nakamura).

« Si le système des brevets n’existait pas, je crois qu’il n’y aurait pas d’émulation entre inventeurs et que le progrès de la science et de la technologie serait freiné » explique encore un proche collaborateur de I. Akasaki.
De fait, MM. Nakamura, Akasaki et Amano ont déposé respectivement 207, 65 et 53 demandes de brevet