ITMI20121364A1 - Dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica, processo di produzione di detto dispositivo ed uso di silicio nano-strutturato per l'emissione di detta radiazione - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO EMETTITORE DI RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA, PROCESSO DI PRODUZIONE DI DETTO DISPOSITIVO ED USO DI SILICIO NANO-STRUTTURATO PER L’EMISSIONE DI DETTA RADIAZIONEâ€

DESCRIZIONE

Campo di applicazione dell’ invenzione

La presente invenzione concerne un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica, in particolare nello spettro del visibile.

Più in particolare, la presente invenzione concerne un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica in grado di modificare in modo semplice ed efficace lo spettro di emissione primaria del dispositivo al fine di ottenere una radiazione elettromagnetica finale di lunghezza d’onda desiderata, differente rispetto all’emissione primaria.

La presente invenzione concerne, inoltre, un metodo di produzione del suddetto dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica, nonché l’uso di un opportuno materiale convertitore atto a realizzare la suddetta modifica dello spettro di emissione.

Arte correlata

E noto nell’arte che il silicio cristallino di per se stesso à ̈ un materiale che non presenta alcuna proprietà di fotoluminescenza, quest’ultima essendo un processo secondo il quale un materiale à ̈ capace di assorbire una radiazione elettromagnetica (fotoni) per poi riemetterla. Tuttavia quando il silicio viene ridotto a dimensioni nanometriche (sotto forma di nanoparticelle di silicio) oppure quando viene realizzato sotto forma di silicio nano -strutturato acquisisce proprietà di fotoluminescenza nello spettro del visibile. Ciò significa, quindi, che investendo le nanoparticelle di silicio od il silicio nano -strutturato con una radiazione di energia sufficientemente elevata (ad esempio con energia pari o superiore a quella della luce di colore blu), il silicio à ̈ in grado di emettere una radiazione centrata su una lunghezza d’onda (lunghezza d’onda fondamentale) nello spettro del visibile e distribuita su un dato intervallo attorno alla suddetta lunghezza d’onda a definire una determinata banda di emissione. Inoltre, definendo opportunamente le dimensioni delle nanoparticelle di silicio o del silicio nanostrutturato, à ̈ possibile modulare la lunghezza d’onda fondamentale della radiazione emessa e, conseguentemente, ottenere una luce emessa di colore desiderato.

Sono noti nell’arte dispositivi allo stato solido (quali, ad esempio, i LED, ossia diodi emettitori di luce) che sono in grado di emettere radiazioni elettromagnetiche (ad esempio luce colorata o luce bianca) utilizzando il principio della conversione. Tale principio consente di combinare tra loro radiazioni elettromagnetiche di differente lunghezza d’onda al fine di ottenere una radiazione elettromagnetica finale di lunghezza d’onda e di colore desiderati. Più in dettaglio, partendo da una sorgente luminosa (ad esempio un LED) che emette una radiazione primaria in una determinata lunghezza d’onda (emissione primaria) ed investe stimolandolo un opportuno materiale dotato di proprietà di fotoluminescenza, almeno parte di detta radiazione primaria à ̈ convertita da detto materiale fotoluminescente dando origine ad una radiazione secondaria di differente lunghezza d’onda (emissione secondaria). La combinazione di detta emissione primaria con detta emissione secondaria fa sì che il dispositivo generi una radiazione emessa di differente lunghezza d’onda - e quindi di differente colore - rispetto alle emissioni primaria e secondaria. Ad esempio, il dispositivo à ̈ in grado di combinare una luce blu (emissione primaria) con una radiazione emessa nel campo del giallo (emissione secondaria) ottenuta dal materiale fotoluminescente, generando una radiazione emessa finale spettralmente uniforme e percepita dall’ occhio umano come una luce bianca. Inoltre, variando in modo opportuno la concentrazione e/o la quantità di detto materiale, à ̈ possibile ottenere differenti tonalità di bianco, da un bianco “freddo†piuttosto intenso, ad un bianco più “caldo†tendente al giallo.

Al fine di realizzare la suddetta conversione di radiazione elettromagnetica ed ottenere una radiazione elettromagnetica emessa di lunghezza d’onda differente rispetto a quella originaria di partenza, à ̈ ad oggi noto l’utilizzo di materiali quali i fosfori oppure le nanoparticelle di diversi materiali, tra i quali si possono citare il silicio, alcuni metalli (ad esempio le terre rare, e tra queste i lantanidi o lantanoidi come Terbio) ed alcuni polimeri (ad esempio i polisilossani).

I documenti US 7,989,833 B2 e US 8,076,410 B2 descrivono, ad esempio, l’utilizzo di nanoparticelle di silicio in dispositivi a LED in grado di ottenere come risultato finale una radiazione elettromagnetica di colore bianco.

In dettaglio, il documento US 7,989,833 B2 descrive come ottenere un LED a luce bianca partendo da un LED di luce blu o ultravioletta. Uno strato convertitore à ̈ posizionato sopra una regione attiva del LED di luce blu o ultravioletta, detto strato convertitore comprendendo un numero opportuno di substrati di nanoparticelle di silicio, ciascun substrato essendo preposto ad emettere una luce in un predeterminato intervallo di lunghezze d’onda nello spettro del visibile. Ad esempio, un primo substrato emette una luce nella zona del rosso, un secondo substrato emette una luce nella zona del verde ed un terzo substrato emette una luce nella zona del blu. La combinazione delle lunghezze d’onda della luce emessa dal primo, secondo e terzo substrato con la luce emessa dal LED di partenza determina l’ottenimento della luce bianca desiderata.

Il documento US 8,076,410 B2 descrive come ottenere un LED a luce bianca partendo da un LED che emette in uno stretto intervallo di lunghezze d’onda. In particolare, uno strato convertitore à ̈ associato ad una regione attiva del LED di partenza, detto strato convertitore comprendendo un film composito comprendente un polimero od un composto di silicio organico in cui à ̈ presente una dispersione di nanoparticelle di silicio aventi una pluralità di siti terminali Si-H ed almeno uno di questi siti essendo legato ad un carbonio del polimero o del composto di silicio organico per produrre un legame silicio carbonio (Si-C). Il film composito à ̈ tale da realizzare la conversione per ottenere la lunghezza d’onda desiderata, ma nel contempo il quantitativo di nanoparticelle di silicio à ̈ sufficientemente contenuto da non avere alcun effetto sostanziale sulle proprietà del polimero o del composto di silicio organico.

La Richiedente ha constatato che i dispositivi dell’arte nota che si basano suH’utilizzo dei fosfori o delle nanoparticelle di materiali quale il silicio, nonché i corrispondenti processi di produzione per realizzare detti dispositivi, presentano alcuni svantaggi che impattano sia sulla riproducibilità e complessità delle fasi di produzione dei dispositivi medesimi, sia sulla qualità finale di questi ultimi.

Più in dettaglio, la Richiedente ha constatato che il corretto ottenimento della lunghezza d’onda fondamentale desiderata nonché della banda di emissione desiderata da parte di un dispositivo emettitore dell’ arte nota dipende in modo considerevole dall’accuratezza della fase di dosaggio dei fosfori o delle nanoparticelle di silicio (ad esempio) di dimensioni opportune. Infatti, sono le dimensioni dei fosfori e delle nanoparticelle di silicio che determinano la lunghezza d’onda fondamentale della radiazione elettromagnetica finale emessa dal dispositivo emettitore. Ciò significa, quindi, che una volta ottenuti i fosfori o le nanoparticelle (ad esempio di silicio), i processi dell’arte nota richiedono che siano eseguite delle fasi intermedie di studio e di successiva realizzazione della miscela di fosfori o di nanoparticelle di dimensioni opportune affinché possano essere ottenute le suddette lunghezza d’onda fondamentale e banda di emissione desiderate. Tuttavia le suddette fasi intermedie presentano alcuni inconvenienti, quali la difficoltà di garantire un’uniforme distribuzione dei fosfori o delle nanoparticelle all’interno della miscela, la difficoltà di dosare in modo adeguato i fosfori o le nanoparticelle di dimensioni differenti, la difficoltà di eseguire una deposizione controllata dei fosfori o delle nanoparticelle nel caso in cui debbano essere prodotti più strati di detti materiali, non ultima la difficoltà di manipolare in modo opportuno materiali di dimensioni così contenute (ossia di dimensioni nanometriche). E evidente, quindi, che una non corretta (od anche solo parzialmente corretta) esecuzione anche di una sola delle suddette fasi intermedie può compromettere in modo irrimediabile il risultato finale ed il dispositivo emettitore ottenuto genera una radiazione elettromagnetica con caratteristiche differenti rispetto a quelle desiderate.

La Richiedente ha constatato, inoltre, che i processi ed i dispositivi dell’arte nota basati sulEimpiego di fosfori o di nanoparticelle di differenti materiali (quale il silicio) può presentare un’ulteriore criticità nel caso in cui i suddetti fosfori o nanoparticelle non vengano miscelati con materiali di supporto opportuni. Pertanto una scelta inopportuna dei suddetti materiali di supporto può compromettere la qualità dell’emissione finale e, quindi, il desiderato funzionamento del dispositivo emettitore.

Infine, la Richiedente ha evidenziato come i processi ed i dispositivi dell’arte nota basati sull’impiego di fosfori o di nanoparticelle di differenti materiali (quale il silicio) presentino un ulteriore inconveniente dovuto ad un fenomeno di sedimentazione cui risulta soggetto lo strato convertitore con il passare del tempo. Detto fenomeno risulta particolarmente svantaggioso in quanto determina una modifica nella distribuzione dei fosfori o delle nanoparticelle, fatto che comporta un conseguente cambiamento delle proprietà ottiche del dispositivo emettitore e, pertanto, remissione di una radiazione elettromagnetica differente da quella desiderata.

Sommario dell’ invenzione

La Richiedente ha percepito la necessità di realizzare un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica e di approntare un processo di produzione di quest’ultimo atti a superare gli svantaggi sopra citati dell’arte nota.

In particolare, la Richiedente ha percepito la necessità di predisporre un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica di più semplice realizzazione rispetto ai dispositivi noti garantendo, nel contempo, l’ottenimento delle proprietà ottiche desiderate, nonché un’uniforme e costante nel tempo efficienza di conversione della lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica di partenza emessa dallo strato di materiale semiconduttore posseduto dal dispositivo.

Più in particolare, la Richiedente ha percepito la necessità di associare al suddetto strato di materiale semiconduttore posseduto dal dispositivo emettitore uno strato convertitore - atto a svolgere la funzione di convertire almeno parzialmente detta radiazione elettromagnetica di partenza - realizzato in un materiale differente rispetto ai fosfori ed alle nanoparticelle di silicio dei processi produttivi dell’arte nota e di più agevole processabilità e di semplice conferimento delle proprietà ottiche (in particolare di fotoluminescenza) necessarie per remissione di una radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda desiderata.

La Richiedente ha trovato che tale risultato può essere vantaggiosamente ottenuto realizzando lo strato convertitore del dispositivo emettitore in un materiale a base di silicio nano- strutturato.

Pertanto, forma un primo oggetto della presente invenzione un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica comprendente:

• almeno uno strato di materiale semiconduttore atto ad emettere una prima radiazione elettromagnetica in una prima lunghezza d’onda, ed

• almeno uno strato convertitore associato a detto almeno uno strato di materiale semiconduttore, detto strato convertitore essendo atto a convertire almeno parzialmente detta prima radiazione elettromagnetica cosicché la radiazione elettromagnetica prodotta ed uscente da detto dispositivo emettitore à ̈ emessa in una seconda lunghezza d’onda differente da detta prima lunghezza d’onda,

caratterizzato dal fatto che il materiale di detto almeno uno strato convertitore comprende silicio nano -strutturato.

In accordo con la presente invenzione con il termine di “silicio nano -strutturato†s’intende una particolare struttura di silicio ottenuta mediante un processo di rimozione di atomi di silicio da un substrato di silicio cristallino. Detta struttura risulta, quindi, formata da regioni di silicio nano cri stallino separate tra loro da regioni di vuoto dove à ̈ presente solamente aria, entrambe le suddette tipologie di regioni avendo dimensioni caratteristiche dell’ordine di o inferiori a decine di nanometri. Come à ̈ noto, il processo di rimozione degli atomi di silicio può avvenire, ad esempio, per via chimica (Stain Etching) oppure per via elettrochimica (ECE - Electrochemical Etching), come descritto più in dettaglio nel prosieguo della presente descrizione.

Pertanto, in accordo con la presente invenzione con il termine “silicio nano -strutturato†s’intende una particolare struttura di silicio ottenuta secondo le metodologie di cui sopra ed avente dimensioni caratteristiche dei cristalli inferiori od uguali a 100 nm, preferibilmente inferiori od uguali a 50 nm. In genere, si definisce “silicio meso-strutturato†un silicio avente dimensioni caratteristiche dei cristalli comprese tra 2 nm e 50 nm; mentre si definisce “silicio nano -strutturato†un silicio avente dimensioni caratteristiche dei cristalli inferiori od uguali a 2 nm.

Conformemente alla presente invenzione, detto almeno uno strato convertitore à ̈ posizionato al di sopra dello strato di materiale semiconduttore posseduto dal dispositivo emettitore.

In accordo con una prima forma realizzativa del dispositivo emettitore secondo l’invenzione, detto almeno uno strato convertitore à ̈ formato da almeno una membrana di silicio nano- strutturato associato allo strato di materiale semiconduttore del dispositivo emettitore.

In accordo con un’ulteriore forma realizzativa del dispositivo emettitore secondo l’invenzione, detto almeno uno strato convertitore à ̈ formato da microparticelle di silicio nano -strutturato associate allo strato di materiale semiconduttore del dispositivo emettitore.

Pertanto, il silicio nano-strutturato, sia sotto forma di membrane sia sotto forma di microparticelle, può essere vantaggiosamente utilizzato per realizzare un dispositivo emettitore di luce colorata o bianca combinando in modo opportuno il silicio nano-strutturato con un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica noto nell’arte, quale ad esempio un LED. La radiazione elettromagnetica emessa dal dispositivo in una prima lunghezza d’onda predeterminata e scelta a priori dall’operatore, viene in parte assorbita dal silicio nano- strutturato e successivamente riemessa su una seconda lunghezza d’onda differente dalla prima e funzione delle proprietà di fotoluminescenza del silicio nano -strutturato. La radiazione elettromagnetica rimanente (ossia la porzione di radiazione elettromagnetica emessa nella prima lunghezza d’onda e non assorbita dal silicio nano-strutturato) si combina con la radiazione elettromagnetica emessa dal silicio nano -strutturato dando origine ad una radiazione elettromagnetica finale emessa nel visibile che può essere bianca o colorata, ossia del colore desiderato in funzione della selezione della lunghezza d’onda fondamentale della radiazione emessa dal silicio nano -strutturato, nonché della banda di emissione attorno alla suddetta lunghezza d’onda fondamentale. Inoltre, agendo sul dosaggio delle microparticelle di silicio nano-strutturato o sullo spessore della membrana di silicio nano- strutturato à ̈ possibile variare la porzione di radiazione elettromagnetica emessa dal dispositivo commerciale ed assorbita dal silicio nano-strutturato, eventualmente fino ad ottenere un completo assorbimento. In quest’ultimo caso la radiazione elettromagnetica emessa sarà funzione delle sole proprietà di fotoluminescenza del silicio nano- strutturato.

La Richiedente ha percepito, inoltre, la necessità di approntare un processo produttivo semplice ed affidabile che risolva le problematiche dell’arte nota di cui sopra.

Pertanto, forma un secondo oggetto della presente invenzione un processo di produzione di un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica comprendente le fasi di:

• produrre a partire da un substrato di silicio cristallino almeno uno strato di materiale comprendente silicio nano-strutturato, ed

• associare detto almeno uno strato di materiale comprendente silicio nano -strutturato ad almeno uno strato di materiale semiconduttore di detto dispositivo emettitore a formare almeno uno strato convertitore di lunghezza d’onda.

In accordo con una prima forma realizzativa del processo di produzione secondo la presente invenzione, detta fase di produrre almeno uno strato di materiale comprendente silicio nano -strutturato comporta la realizzazione di una membrana di silicio nano-strutturato.

In accordo con una ulteriore forma realizzativa del processo di produzione secondo la presente invenzione, detto processo comprende la fase di frantumare la suddetta membrana di silicio nano -strutturato a formare una pluralità di microparticelle di silicio nano- strutturato.

Infine, forma un ulteriore oggetto della presente invenzione l’uso di un materiale comprendente silicio nano -strutturato per modificare remissione spettrale di una radiazione elettromagnetica emessa da un dispositivo emettitore. In una prima forma realizzativa, detto silicio nano -strutturato à ̈ utilizzato sotto forma di membrana. In una forma realizzativa alternativa, detto silicio nano -strutturato à ̈ utilizzato sotto forma di microparticelle ottenute frantumando una membrana di silicio nano-strutturato.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme realizzative preferite, ma non esclusive, di un dispositivo emettitore e di un processo di produzione del dispositivo medesimo in accordo con la presente invenzione.

Breve descrizione delle figure

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, fomiti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

le Figure 1 e 2 rappresentano le celle utilizzate rispettivamente nei processi di tipo elettrochimico e di tipo chimico per la produzione di silicio nano -strutturato;

la Figura 3 mostra una rappresentazione schematica di un procedimento realizzativo di una membrana di silicio nano-strutturato e di microparticelle di silicio nano- strutturato;

la Figura 4 mostra una rappresentazione schematica di alcune fasi di produzione di un LED secondo la presente invenzione;

la Figura 5 mostra dei prototipi di dispositivi emettitori (LED) secondo l’invenzione;

la Figura 6 mostra dei LED di tipo commerciale;

la Figura 7 mostra lo spettro di emissione e le coordinate di cromaticità di un LED commerciale, e

le Figure da 8 a 11 mostrano gli spettri di emissione e le coordinate di cromaticità di alcuni prototipi di dispositivi emettitori secondo Γ invenzione.

Descrizione dettagliata delle forme realizzative preferite

Le Figure 1 e 2 mostrano in modo schematico le celle utilizzate per lottenimento di silicio nano -strutturato rispettivamente secondo un processo di tipo elettrochimico (ECE) ed un processo di tipo chimico (STAIN), entrambi detti processi basandosi sulla dissoluzione chimica (erosione) in soluzione acquosa di acido fluoridrico (HF) di almeno parte del substrato di silicio cristallino sottoposto ad attacco.

La struttura di silicio nano strutturato così ottenuta presenta una matrice porosa che alterna zone vuote (i pori) a zone di silicio cristallino, la matrice porosa (ossia il silicio poroso) presentando un’elevata efficienza luminosa a temperatura ambiente, particolarmente vantaggiosa per la realizzazione del dispositivo emettitore secondo la presente invenzione.

In Figura 1 il substrato di silicio cristallino 20 dal quale si desidera ottenere lo strato di silicio nano -strutturato costituisce l’anodo della cella elettrochimica 10, mentre il catodo 30 à ̈ costituito da un materiale inerte, tipicamente platino. La cella elettrochimica à ̈ realizzata in un materiale inerte all’acido fluoridrico, ad esempio teflon. La soluzione elettrochimica à ̈ composta tipicamente da acido fluoridrico ad elevata purezza (48%) diluito con etanolo e/o acqua. Poiché l’attacco elettrochimico procede lungo le linee di corrente, risulta importante la forma e la posizione reciproca degli elettrodi per ottenere una distribuzione uniforme del campo elettrico. Sono altresì importanti l’agitazione della soluzione elettrolitica ed il controllo della temperatura.

Il processo di tipo elettrochimico à ̈ particolarmente versatile, garantisce un’elevata riproducibilità e consente di ottenere strati di silicio nanostrutturato aventi elevata uniformità dimensionale e morfologica, nonché ottime proprietà meccaniche ed ottiche. In particolare le proprietà morfologiche e dimensionali dello strato poroso di silicio nano- strutturato dipendono considerevolmente dalle condizioni del processo di anodizzazione: a) tipo di drogaggio e resistività del substrato di silicio; b) composizione e temperatura della soluzione elettrolitica; c) regime di polarizzazione (corrente e tensione) e geometria della cella elettrolitica; d) condizioni di preparazione del substrato. E opportuno sottolineare che la presente invenzione si applica a qualunque tipologia di substrato di silicio nano-strutturato, indipendentemente dalla presenza o meno di un drogante, nonché dal tipo di drogaggio, detto aspetto potendo intervenire sulla modifica di alcune proprietà di emissione del dispositivo emettitore.

In Figura 2 il substrato di silicio cristallino 50 à ̈ immerso all’interno della cella 40 in una soluzione fortemente ossidante, ad esempio una soluzione acquosa di acido nitrico contenente anche acido fluoridrico. Il processo di tipo chimico non richiede un sistema di polarizzazione essendo un processo a circuito aperto.

Gli strati di silicio nano -strutturato che si ottengono con il processo chimico sono strutturalmente simili a quelli ottenuti mediante il processo elettrochimico in quanto la reazione chimica che determina la dissoluzione del silicio cristallino à ̈ la stessa, con zone della superficie che si comportano casualmente come catodi ed anodi localizzati sui quali avvengono le reazioni di ossidoriduzione ed il trasferimento di carica. Più nel dettaglio, sugli anodi locali avvengono le reazioni di ossidazione del silicio, mentre sui catodi locali si realizza la riduzione dell’acido nitrico. Successivamente l’ossido di silicio viene rimosso dall’acido fluoridrico completando in tal modo la dissoluzione del silicio cristallino.

Il processo di tipo chimico, però, sebbene sia più semplice rispetto al processo di tipo elettrochimico, presenta lo svantaggio di generare strati porosi aventi una peggiore omogeneità ed una minore efficienza luminosa, oltre a presentare anche alcuni problemi di riproducibilità.

Agendo sul substrato di silicio cristallino (ad esempio agendo sulla tipologia e sul livello di drogaggio di detto substrato), nonché sui parametri dell’attacco chimico (STAIN) o elettrochimico (ECE) per la rimozione del silicio (agendo, ad esempio, sulla composizione e sulla concentrazione della soluzione elettrolitica, sulla temperatura, ecc.) à ̈ possibile modificare la morfologia e le dimensioni caratteristiche del silicio nano-strutturato. In particolare, per quanto concerne le dimensioni del silicio nano-strutturato, à ̈ possibile agire sia sullo spessore dello strato che si vuole realizzare, sia sulle dimensioni minime e medie dei nanocristalli di silicio. In questo modo à ̈ possibile modulare fin dall’inizio in maniera semplice ed efficace le proprietà di fotoluminescenza del silicio nano- strutturato consentendo di selezionare sia la lunghezza d’onda fondamentale della radiazione che si desidera venga emessa dal dispositivo, sia la banda di emissione attorno a detta lunghezza d’onda fondamentale.

Preferibilmente, la fase di dissoluzione chimica (fase di erosione) del substrato di silicio cristallino à ̈ preceduta da alcune fasi preliminari di preparazione del substrato medesimo e schematizzate in Figura 3.

Innanzitutto si procede ad una fase di rimozione dell’ossido nativo (Figura 3a) che à ̈ generalmente presente sul substrato di silicio cristallino 100. Tale fase di rimozione viene tipicamente eseguita mediante un attacco di tipo chimico (ad esempio utilizzando una soluzione acquosa di acido fluoridrico e fluoruro di ammonio) a temperatura ambiente.

Nel caso in cui il processo di produzione dello strato di silicio nano-cristallino sia di tipo elettrochimico (ECE), successivamente alla fase di rimozione dell’ossido nativo, sul retro (ossia sulla superficie di appoggio) del substrato di silicio cristallino 100 viene eseguita la deposizione (Figura 3b) di un sottile film metallico (ad esempio alluminio) 110 che svolge la funzione di migliorare il contatto elettrico tra il substrato 100 e la cella elettrochimica, riducendo la caduta della tensione di contatto e garantendo una distribuzione più uniforme del potenziale elettrico e, quindi, delle linee di corrente.

La fase di dissoluzione chimica (realizzata con il processo di tipo chimico o di tipo elettrochimico di cui sopra oppure mediante processi alternativi a quelli descritti, quali ad esempio l’erosione “spark†, la sintesi di cluster di silicio contenenti molecole luminescenti quale il silioxene, l’etching mediante vapori di acido fluoridrico ed acido nitrico) determina la formazione di uno strato di silicio nano- strutturato 120 (Figura 3c).

Alla fase di dissoluzione chimica segue una fase di asciugatura dello strato di silicio nano-strutturato così ottenuto al fine di rimuovere dai pori la soluzione di acido fluoridrico utilizzata durante l’attacco.

Successivamente alla fase di asciugatura, il processo produttivo prevede una fase di rimozione (Figura 3d) dello strato (membrana) di silicio nano -strutturato 120 dal substrato di silicio cristallino 100.

In accordo con una forma realizzativa della presente invenzione, una volta ottenuto lo strato di silicio nano -strutturato 120, al fine di poter associare in modo semplice ed efficace detto strato ad uno strato semiconduttore posseduto dal dispositivo emettitore, il processo produttivo vantaggiosamente comprende una fase di inglobamento di detto strato di silicio nano -strutturato in una matrice di supporto di materiale inerte e trasparente sia alla radiazione elettromagnetica originaria emessa dal dispositivo, sia alla radiazione elettromagnetica emessa dallo strato di silicio nano -strutturato. Inoltre, il materiale di detta matrice di supporto deve garantire sia un posizionamento stabile dello strato di silicio nano -strutturato, sia una protezione adeguata di quest’ultimo rispetto alle condizioni ambientali circostanti in modo da ridurre sensibilmente il rischio di contaminazione ed invecchiamento dello strato di silicio nano -strutturato. Detto materiale inerte deve, quindi, avere una buona stabilità nel tempo delle sue caratteristiche chimico-meccaniche e, come già ricordato, deve possedere una buona trasparenza nello spettro del visibile. Materiali adatti a svolgere questa funzione sono, ad esempio, alcuni materiali polimerici, quali le resine siliconiche.

In accordo con un’ulteriore forma realizzativa della presente invenzione, la suddetta fase di associare lo strato di silicio nano -strutturato così ottenuto ad uno strato semiconduttore posseduto dal dispositivo emettitore à ̈ preceduta da una fase di frantumazione di detto strato di silicio nano -strutturato 120 (Figura 3e) al fine di ottenere microparticelle 130 di quest’ultimo.

Detta fase di frantumazione può essere ad esempio eseguita mediante l’utilizzo di ultrasuoni oppure per via meccanica.

La frantumazione ad ultrasuoni prevede l’immersione dello strato di silicio nano-strutturato precedentemente ottenuto in un solvente opportuno (ad esempio isopropanolo) e la successiva immersione del sistema silicio/solvente in un bagno ad ultrasuoni ad una frequenza di circa 40 kHz. La frantumazione prevede una prima fase della durata di circa un’ora in cui lo strato di silicio nano -strutturato (in genere già parzialmente frantumato a seguito della fase di asciugatura, come più sopra ricordato) viene ridotto ad elementi aventi dimensioni di centinaia di micron, ed una seconda fase della durata di molte ore (ad esempio 10 - 12 h) in cui si ottengono frammenti delle dimensioni desiderate di poche decine di micron.

La frantumazione ad ultrasuoni presenta, però, alcuni inconvenienti quali, ad esempio, il fatto che non avviene in modo uniforme nel tempo (pertanto frammenti di dimensioni consistenti sono presenti anche dopo molte ore di lavorazione) e che, a conclusione dell’operazione, le microparticelle sono in soluzione ed à ̈ necessaria una fase addizionale di rimozione del solvente, aspetto tutt’ altro che di semplice realizzazione in quanto sussiste un rischio elevato che una parte anche consistente delle microparticelle prodotte possa andare persa durante la rimozione del solvente. Inoltre, una valutazione di tipo qualitativo ha evidenziato come questa tipologia di frantumazione determini un deterioramento dell’intensità luminosa della radiazione elettromagnetica emessa dalle microparticelle rispetto allo strato di silicio nano -strutturato di partenza.

La frantumazione di tipo meccanico può essere eseguita manualmente utilizzando un comune utensile di dimensioni opportune oppure può essere vantaggiosamente automatizzata fino ad ottenere le microparticelle di dimensioni desiderate.

La frantumazione di tipo meccanico presenta alcuni vantaggi rispetto a quella ad ultrasuoni. Ad esempio, à ̈ un’operazione condotta in modo abbastanza uniforme e non richiede l’utilizzo di solventi, aspetto particolarmente vantaggioso in quanto non sono necessarie operazioni addizionali di rimozione di questi ultimi e le microparticelle così prodotte sono immediatamente utilizzabili nella successiva fase di inglobamento dettagliata nel prosieguo della presente descrizione. Inoltre, la frantumazione di tipo meccanico riduce al minimo il rischio di perdita del materiale e, ad una valutazione qualitativa analoga a quanto precedentemente descritto per la frantumazione ad ultrasuoni, à ̈ stato evidenziato che questa tipologia di frantumazione non determina un significativo deterioramento dell’intensità luminosa della radiazione elettromagnetica emessa dalle microparticelle rispetto allo strato di silicio nano-strutturato di partenza.

Successivamente, in modo analogo a quanto più sopra descritto con riferimento alla forma realizzativa dello strato (membrana) di silicio nanostrutturato, le microparticelle di silicio nano-strutturato vengono inglobate in una matrice di supporto ed infine associate allo strato semiconduttore posseduto dal dispositivo emettitore, completando in tal modo la realizzazione di quest’ultimo in accordo con la presente invenzione.

Alternativamente, lo strato di silicio nano-strutturato, ottenuto a conclusione della fase di erosione (ad esempio per dissoluzione chimica) del substrato di silicio cristallino, viene associato tal quale (ossia sotto forma di membrana) allo strato semiconduttore del dispositivo emettitore, senza prevedere l’utilizzo di una matrice di supporto. In tal caso, quindi, le fasi di frantumazione e di inglobamento in una matrice polimerica di supporto descritte più sopra non risultano necessarie e non sono previste nel processo produttivo del dispositivo secondo l’invenzione.

Al termine della fase di distacco dello strato di silicio nano -strutturato dal substrato di silicio cristallino può essere vantaggiosamente prevista una fase di ossidazione chimica (ad esempio in acido nitrico) o termica (ad esempio condotta ad una temperatura di 1000-1050°C in un’atmosfera di ossigeno puro), detta fase essendo in grado di modulare le dimensioni della parte cristallina della matrice porosa. In tal modo, quindi, oltre a modulare le proprietà di fotoluminescenza del materiale, à ̈ possibile proteggere ulteriormente il silicio dall’invecchiamento grazie allo strato di ossido di silicio prodotto sulla superficie del silicio medesimo durante l’ossidazione.

A solo titolo esemplificativo, qui di seguito sono riportate - sotto forma di esempi - le principali fasi del processo di produzione di alcuni prototipi di un dispositivo emettitore secondo l’invenzione.

Esempio 1

L’esempio 1 descrive la realizzazione di uno strato di silicio nano -strutturato mediante un processo di tipo elettrochimico (ECE).

La cella elettrochimica 10 del tipo illustrato in Figura 1 à ̈ stata alimentata con una unità SMU (Source Meter Unii - 2400 SourceMeter, Keithley) atta ad imporre la corrente di polarizzazione e leggere la tensione sviluppata tra il catodo 30 e l’anodo 20. L’anodo era costituito da un disco di alluminio a diretto contatto con un substrato di silicio cristallino, mentre il catodo à ̈ stato realizzato con un filamento di platino conformato ad anello e posto ad una distanza di 3 mm dalla superficie del substrato di silicio cristallino. Ciò ha garantito una distribuzione uniforme delle linee di corrente su tutta l’area del substrato sottoposto ad attacco elettrochimico, favorendo, così, una crescita uniforme dello strato di silicio nano -strutturato ed una porosità uniforme in direzione parallela alla superficie del substrato medesimo.

Come substrato di silicio cristallino di partenza à ̈ stato scelto un silicio di tipo p (drogaggio di tipo p ottenuto utilizzando il boro quale drogante) in quanto capace di produrre un silicio nano- strutturato microporoso, ossia avente diametro dei pori e distanza tra i pori inferiori a 10 nm. Questo aspetto risulta particolarmente importante poiché consente di ottenere un materiale fotoluminescente, in quanto le proprietà di fotoluminescenza del silicio nanostrutturato dipendono fortemente dalle dimensioni della matrice porosa del materiale.

L’unità SMU à ̈ stata collegata ad un’unità di elaborazione (personal computer) atta a ricevere ed elaborare i dati ottenuti durante il processo elettrochimico, nonché ad impostare i parametri necessari per l’esecuzione di quest’ultimo.

Come più sopra menzionato, il processo di produzione di uno strato di silicio nano- strutturato à ̈ stato avviato con un’operazione di rimozione dell’ossido nativo (Figura 3a) presente sul substrato di silicio cristallino 100, rimozione che à ̈ stata condotta mediante attacco chimico in BHF (Buffered HF, ossia una soluzione acquosa di acido fluoridrico e fluoruro di ammonio) a temperatura ambiente.

Successivamente, sul retro del substrato di silicio cristallino 100 à ̈ stata eseguita la deposizione di un film di alluminio 110 (Figura 3b) dello spessore di circa 500 nm mediante l’utilizzo di un evaporatore termico.

Completate le fasi preliminari di preparazione del campione (ossia del substrato di silicio cristallino), si à ̈ proceduto, quindi, alla produzione dello strato (membrana) di silicio nano -strutturato 120 (Figura 3c) utilizzando il processo di tipo elettrochimico (ECE), ossia l’attacco del campione in una soluzione acquosa di acido fluoridrico in condizioni di polarizzazione anodica. Impostando in modo opportuno i parametri dell’ ECE à ̈ stato ottenuto uno strato di silicio nano-strutturato di porosità e spessore desiderati.

La soluzione elettrolitica utilizzata all’interno della cella era costituita da una miscela composta da acido fluoridrico (48% in acqua) ed etanolo purissimo (99,998%) nel rapporto di 1:1 in volume a realizzare una concentrazione di acido fluoridrico pari al 24% in volume. La soluzione elettrolitica nella cella aveva un’altezza pari a 30 mm in modo da immergere completamente la sola area del substrato di silicio cristallino sottoposto ad attacco. Tale accorgimento ha consentito una maggiore uniformità dell’ attacco elettrochimico ed un sostanziale risparmio e massima efficienza della soluzione elettrolitica. I substrati di silicio cristallino di partenza avevano dimensioni medie pari a 15 mm x 15 mm e spessori dell’ordine di 500 - 600 pm.

A conclusione della fase di dissoluzione chimica à ̈ stata eseguita una fase di asciugatura dello strato di silicio nano-strutturato così prodotto mediante evaporazione a temperatura ambiente. In dettaglio, dopo aver rimosso la soluzione elettrolitica, lo strato di silicio nano -strutturato à ̈ stato immerso prima in etanolo e successivamente in acqua deionizzata. L’elevata bagnabilità del silicio nano -strutturato nei confronti dell’etanolo ha garantito una completa rimozione della soluzione elettrolitica dalla matrice porosa. Successivamente, l’acqua deionizzata à ̈ stata rimossa dai pori mediante evaporazione a temperatura ambiente e pressione atmosferica.

Con la soluzione elettrolitica di cui sopra sono stati realizzati alcuni attacchi elettrochimici utilizzando un intervallo di valori per la densità di corrente di polarizzazione compreso tra 75 mA/cm e 600 mA/cm ed un intervallo di valori per la durata dell’attacco elettrochimico compreso tra 0 s e 300 s, al fine di ottenere il grado di porosità e lo spessore desiderati dello strato di silicio nano -strutturato.

Sulla base dei risultati ottenuti dagli attacchi elettrochimici condotti variando opportunamente i parametri di cui sopra, in Tabella 1 sono indicati i valori scelti per i parametri principali del processo elettrochimico di produzione dello strato di silicio nano-strutturato.

Tabella 1

Porosità 75 - 90% Densità di corrente di polarizzazione 150 mA/cm<2>- 600 mA/cm<2>

Spessore 40 pm Durata dell’ attacco elettrochimico 120 - 330 s

Mediante una valutazione di tipo qualitativo sia dell’ efficienza di

utilizzo del silicio cristallino di partenza, sia dell’efficienza di conversione,

quest’ultima eseguita stimolando gli strati di silicio nano -strutturato così

ottenuti con un LED blu (λ = 450 nm - prodotto dalla ditta R.i.C.O. Srl)

disposto al di sopra di detti strati, la configurazione di compromesso che à ̈

stata scelta per la produzione degli strati di silicio nano -strutturato à ̈ riportata

in Tabella 2.

Tabella 2

Densità di corrente di polarizzazione 300 mA/cm<2>

Durata dell’ attacco elettrochimico 240 s Quantitativo di Boro (drogante) 3÷5xl0<15>atomi/cm<3>

I valori dei parametri indicati in Tabella 2 hanno portato alla

realizzazione di strati di silicio nano- strutturato aventi porosità pari a circa

85% e spessore di circa 40 pm.

Completata la fase di asciugatura, Ã ̈ stata successivamente eseguita la

fase di rimozione (Figura 3d) dello strato di silicio nano-strutturato 120 dal

substrato di silicio cristallino 100. Detta fase di rimozione à ̈ stata condotta in

modo molto semplice mediante una leggera azione meccanica eseguita sulla

superficie di appoggio del substrato di silicio cristallino 100. Tipicamente, le dimensioni degli strati di silicio nano- strutturato erano comprese tra qualche centimetro fino a 20 cm di diametro.

Esempio 2

Lo strato di silicio nano -strutturato ottenuto come da Esempio 1 à ̈ stato successivamente sottoposto ad una operazione di frantumazione di tipo meccanico per Eottenimento di microparticelle di silicio nano-strutturato 130 (Figura 3e). In dettaglio, detto strato di silicio nano -strutturato à ̈ stato disposto all’intemo di un contenitore in pyrex e manualmente frantumato utilizzando un utensile in acciaio ad ottenere microparticelle di dimensioni inferiori ad 1 pm fino a qualche decina di pm.

Successivamente, le microparticelle di silicio nano- strutturato così ottenute sono state inglobate in una matrice di supporto per facilitare Eassemblaggio di dette microparticelle con un LED blu di tipo commerciale.

Più in dettaglio, quale materiale inerte in cui inglobare le microparticelle di silicio nano-strutturato à ̈ stato scelto il materiale Sylgard<®>184 (prodotto dalla ditta Dow Corning), una resina siliconica trasparente nello spettro del visibile e capace di garantire una buona protezione fisica e termica del LED blu e delle microparticelle di silicio nano-strutturato. In Figura 4 à ̈ rappresentata in modo schematico la suddetta fase di inglobamento, nonché la fase di associazione (assemblaggio) delle microparticelle inglobate così ottenute al LED blu utilizzato quale dispositivo emettitore di partenza. In dettaglio, in Figura 4a à ̈ illustrato il materiale Sylgard<®>184 che à ̈ fornito in due componenti liquidi distinti: un componente di base A ed un agente reticolante B che, opportunamente miscelati (nel rapporto 10:1 in peso), danno luogo alla polimerizzazione dell’elastomero siliconico. Per garantire una polimerizzazione uniforme occorre miscelare con cura i due componenti di partenza facendo in modo che le eventuali bolle d’aria presenti siano eliminate. Ad esempio, à ̈ possibile favorire l’espulsione dell’ aria intrappolata nella miscela applicando a quest’ultima un leggero grado di vuoto (ad esempio, 712 - 762 mm Hg). Per una corretta miscelazione dei due componenti occorre un periodo di tempo pari ad almeno 30 minuti.

Si à ̈ proceduto, quindi, alla miscelazione del composto elastomerico così ottenuto con le microparticelle di silicio nano-strutturato 130 (Figura 4b). Detta operazione risulta particolarmente delicata perché à ̈ in questa fase del processo produttivo che viene scelta la quantità di microparticelle di silicio nano -strutturato da associare al LED blu di partenza.

Ultimate le operazioni di dosaggio delle microparticelle e miscelazione di quest’ultime nella matrice di supporto, eseguendo anche in questo caso la rimozione delle eventuali bolle d’aria presenti nel composto, à ̈ stata condotta la fase di associazione della miscela così ottenuta alla superficie del LED blu di partenza 140 (Figura 4c) a realizzare uno strato convertitore 150 disposto al di sopra dello strato semiconduttore posseduto dal suddetto LED. Conformemente alla presente invenzione, detto strato convertitore à ̈ preposto a convertire almeno parzialmente la radiazione elettromagnetica primaria (originaria) emessa dal LED blu di partenza cosicché la radiazione elettromagnetica secondaria prodotta ed uscente dal dispositivo emettitore à ̈ emessa in una seconda lunghezza d’onda differente da detta prima lunghezza d’onda. Occorre attendere il completamento della polimerizzazione prima di poter utilizzare il LED così modificato. La polimerizzazione à ̈ stata condotta a temperatura ambiente in quanto la fase di associazione à ̈ stata eseguita in presenza di un LED completo delle connessioni necessarie per la sua polarizzazione esterna. Una polimerizzazione condotta a temperature più elevate, che peraltro à ̈ consentita dal materiale Sylgard<®>184, avrebbe potuto danneggiare le connessioni del LED già presenti e predisposte per un corretto funzionamento di quest’ultimo.

Esempio 3

Le microparticelle di silicio nano -strutturato inglobate nella matrice polimerica come indicato nell’Esempio 2 sono state utilizzate per la produzione di alcuni prototipi di LED secondo la presente invenzione. In particolare, le suddette microparticelle inglobate sono state associate ad alcuni LED blu di tipo commerciale fomiti dalla ditta R.i.C.O. Srl disposti secondo una configurazione a matrice costituita da due colonne, ciascuna colonna contenente 4 gmppi di 5 LED blu. I LED sono stati collegati in modo tale che ogni gmppo di LED fosse polarizzabile singolarmente ed in ciascun gmppo i 5 LED fossero collegati in parallelo cosicché la polarizzazione di un gmppo determinasse l’accensione contemporanea di tutti i LED del gmppo medesimo. Tale configurazione ha consentito di misurare la potenza elettrica assorbita dall’intero gmppo, ma non quella assorbita da ogni singolo LED.

Sono stati predisposti alcuni prototipi distinti che si differenziavano tra loro per la concentrazione di microparticelle di silicio nano -strutturato presente nella miscela polimerica, detta miscela essendo stata preparata rispettivamente con valori qualitativi di bassa, media ed alta concentrazione di microparticelle di silicio nano- strutturato.

In figura 5 sono mostrati i prototipi di LED in accordo con la presente invenzione, rispettivamente in assenza di polarizzazione (LED spenti - Figura 5a) ed in presenza di polarizzazione (LED accesi - Figura 5b). La luce blu emessa dai LED blu di partenza à ̈ stata in parte assorbita ed in parte convertita dalle microparticelle di silicio nano -strutturato (che hanno realizzato lo strato convertitore in accordo con l’invenzione), e, combinandosi con la radiazione elettromagnetica emessa dalle microparticelle medesime, ha dato origine ad una luce di colore rossastro. Ciò ha dimostrato, quindi, che la luce blu originaria del LED blu di partenza à ̈ stata convertita in una luce di colore differente mediante l’utilizzo delle microparticelle di silicio nano-strutturato. Inoltre, la Figura 5b mostra come la gradazione di rosso della luce emessa dai 5 LED sia differente da un LED all’altro in quanto i suddetti 5 LED sono stati ricoperti con differenti concentrazioni di microparticelle di silicio nano -strutturato.

La Figura 6 mostra un esempio comparativo in cui sono stati utilizzati i medesimi LED blu di partenza, ma privi delle microparticelle di silicio nano -strutturato. I suddetti LED sono mostrati rispettivamente in assenza di polarizzazione (LED spenti - Figura 6a) ed in presenza di polarizzazione (LED accesi - Figura 6b). Il confronto tra la Figura 5b e la Figura 6b mostra in modo evidente il contributo apportato dallo strato convertitore secondo l’invenzione: la luce blu emessa dai LED di Figura 6b à ̈ stata trasformata in una luce rossastra dai LED modificati di Figura 5b.

Esempio 4

I prototipi di cui all’Esempio 3 sono stati sottoposti a caratterizzazione ottica utilizzando uno spettrofotometro (modello CS-2000 della ditta Konica Minolta) ed un software (CS-S10W Professional della ditta Konica Minolta) per la gestione della strumentazione in remoto attraverso un personal computer. Le ridotte dimensioni (2 mm x 2 mm in pianta) dei LED blu hanno richiesto anche l’utilizzo di un obiettivo per primi piani (CS-A35 della ditta Konica Minolta) al fine di effettuare le misurazioni ad una distanza di circa 7 cm. Per ogni prototipo sono state effettuate misurazioni per differenti valori della corrente di polarizzazione e per due valori dell’angolo di misurazione (rispettivamente 0.1° e 1°). Per ogni valore della corrente di polarizzazione sono state effettuate sei misurazioni con angolo di misurazione pari a 0.1° e tre misurazioni con angolo di misurazione pari a 1°. La scelta di utilizzare due differenti angoli di misurazione ha consentito di cambiare l’area di misurazione (ossia l’area attraverso cui viene raccolta la luce emessa dal prototipo), passando da un’area circolare di diametro compreso tra 0.1 mm e 0.2 mm per un angolo di misurazione pari a 0.1° ad un’area circolare di diametro compreso tra 1.0 e 2.0 mm per un angolo di misurazione pari a 1°. Per la corrente di polarizzazione à ̈ stato scelto un intervallo compreso tra 200 mA e 600 mA.

La caratterizzazione ottica dei prototipi ha avuto lo scopo di identificare il colore della luce (radiazione elettromagnetica) emessa da ciascun dispositivo, mediante la determinazione sia delle coordinate di cromaticità x ed y e di luminanza Lv, sia dello spettro di emissione della luce emessa medesima. In particolare, la prima informazione fornisce importanti indicazioni sul risultato della combinazione cromatica tra la luce emessa dal LED blu di partenza e la luce convertita dalle microparticelle di silicio nano-strutturato, combinazione che dipende dal dosaggio delle suddette particelle. Lo spettro di emissione, invece, à ̈ in grado di fornire informazioni anche sulla sola componente della radiazione luminosa emessa dalle microparticelle e, pertanto, sulle proprietà di fotoluminescenza del silicio nano -strutturato. Sotto stimolazione ottica con radiazione avente lunghezza d’onda pari a 450 nm (luce blu), à ̈ possibile, infatti, desumere la lunghezza d’onda dominante e la banda di emissione della radiazione emessa dalle microparticelle di silicio nano-strutturato, proprietà queste che sono direttamente collegate alle dimensioni della parte cristallina della matrice porosa del silicio nano -strutturato ed allo stato (tipologia di terminali chimici presenti) della superficie di quest’ultimo.

La Figura 7 mostra lo spettro di emissione e le coordinate di cromaticità x ed y del LED blu di partenza, ossia del LED commerciale non provvisto delle microparticelle di silicio nano-strutturato. Le misure illustrate nei grafici (che fanno riferimento ad un angolo di misurazione pari a 0.1°) dimostrano che la luce blu emessa dal LED ha una lunghezza d’onda dominante di 450 nm.

Le Figure 8, 9 e 10 mostrano, invece, gli spettri di emissione e le coordinate di cromaticità x ed y dei tre prototipi dell’Esempio 3 che, come detto più sopra, si differenziano tra loro per la concentrazione rispettivamente bassa, media ed alta delle microparticelle di silicio nano -strutturato inglobate nella matrice polimerica di supporto. Le suddette figure riportano anche le misure ottenute per differenti valori della corrente di polarizzazione.

L’analisi delle Figure 8, 9 e 10 porta alle seguenti considerazioni.

Dal punto di vista cromatico, all’ aumentare del dosaggio (ossia del quantitativo) delle microparticelle di silicio nano- strutturato, la tonalità della luce rossa emessa dal prototipo à ̈ variata da un rosso-blu (Figura 8) ad un rosso acceso (Figura 10). Nonostante questa variazione (molto evidente osservando i grafici degli spettri di emissione), tutti i punti riportati sul diagramma di cromaticità CIE 1931 si muovono idealmente su di una retta che intercetta la linea del bianco nella regione del bianco caldo (al di sotto di 2000 K). Ciò significa che le microparticelle di silicio nano-strutturato inglobate nella matrice polimerica hanno tutte le stesse proprietà e, quindi, il cambiamento di colore à ̈ imputabile solamente al diverso dosaggio di dette microparticelle. Dal punto di vista della cromaticità, l’effetto della diversa corrente di polarizzazione del prototipo non sembra essere significativo.

Dal punto di vista dello spettro di emissione, indipendentemente dal dosaggio delle microparticelle di silicio nano- strutturato, sono facilmente individuabili la banda di emissione del LED blu (confrontabile con quella di Figura 7) e la banda della luce emessa dal silicio nano-strutturato a seguito della stimolazione con la luce blu del LED di partenza. In particolare, si osserva come la luce emessa dal silicio nano-strutturato partendo dal giallo (λ = 550 - 570 nm) si estende fino all’infrarosso con una lunghezza d’onda dominante intorno a 670 nm. E possibile notare, inoltre, un picco secondario molto stretto intorno a 690 nm. L’ampiezza della banda della luce emessa dal silicio nano-strutturato sta ad indicare la probabile presenza nella parte cristallina della matrice porosa del silicio nano -strutturato di una distribuzione di cristalli aventi dimensioni differenti, con prevalenza per quei cristalli ai quali à ̈ imputabile una fotoluminescenza alla lunghezza d’onda di picco. L’effetto della corrente totale di polarizzazione à ̈ quello di aumentare l’intensità della radiazione emessa, osservando che al crescere di quest’ultima, per ogni lunghezza d’onda (sia nella banda del LED blu che in quella del silicio nano-strutturato) si ottiene un incremento della luminanza. Il confronto tra i diversi dosaggi delle microparticelle di silicio nano -strutturato (Figure 8, 9 e 10) evidenzia che, all’aumentare del quantitativo di microparticelle, una sempre maggiore quantità della radiazione emessa dal LED blu di partenza viene convertita in luce rossa da parte delle microparticelle medesime, passando da una intensità associata alla λ = 450 nm (picco del blu) di gran lunga superiore a quella associata alla λ = 670 nm (picco del rosso) nel caso di dosaggio basso (Figura 8), ad una quasi uguaglianza delle intensità dei suddetti picchi nel caso di dosaggio medio (Figura 9), fino al ribaltamento della situazione di partenza nel caso di dosaggio alto (Figura 10).

Esempio 5

Un ulteriore prototipo à ̈ stato realizzato dalla Richiedente utilizzando uno strato di silicio nano -strutturato ricavato da un substrato di silicio cristallino analogo a quanto descritto nelFEsempio 1, ma avente un quantitativo di drogante (Boro) pari a 2 xl0<19>÷6xl0<19>atomi/cm<3>.

La Richiedente ha, infatti, constatato che, partendo da substrati di silicio cristallino in accordo con i valori di Tabella 2, si ottengono strati di silicio nano -strutturato aventi una morfologia di tipo “spugnoso†(“sponge-like†), mentre utilizzando un substrato di silicio cristallino avente il quantitativo di Boro di cui sopra si ottengono strati di silicio nano -strutturato aventi una morfologia di tipo “a colonna†(“column-like†). Tale proprietà conferisce allo strato di silicio nano -strutturato così ottenuto una resistenza meccanica sufficiente a mantenere lo strato integro anche dopo la fase di asciugatura. Pertanto, poiché lo strato di silicio nano -strutturato non presentava alcuna frantumazione, neppure parziale, detto strato non à ̈ stato sottoposto ad alcuna fase di inglobamento in una matrice polimerica di supporto ed à ̈ stato associato direttamente al LED blu di partenza (ossia allo strato semiconduttore del suddetto LED). Per realizzare il prototipo sono stati utilizzati strati di silicio nano -strutturato di spessore pari a 40 pm

La Figura 11 illustra, quindi, gli spettri di emissione e le coordinate di cromaticità x ed y (su diagramma CIE 1931) del suddetto prototipo per differenti valori della corrente totale di polarizzazione. Da un’analisi dei grafici di Figura 11 si può rilevare una considerevole attenuazione della potenza luminosa con quasi completo annullamento della banda di luce blu e la presenza di una banda di emissione nel rosso molto stretta, se paragonata a quella dei prototipi realizzati con microparticelle di silicio nano- strutturato degli esempi precedenti. Detta banda di emissione nel rosso presenta una lunghezza d’onda di picco pari a circa 690 nm, picco presente anche negli spettri dei prototipi realizzati con microparticelle di silicio nano -strutturato. Tale comportamento può essere spiegato con il fatto che la diversa morfologia del silicio nano- strutturato di cui sopra non consente la formazione nella parte cristallina della matrice porosa di cristalli aventi dimensioni sufficientemente piccole da presentare proprietà di fotoluminescenza. Pertanto, la maggior parte della radiazione blu emessa dal LED di partenza viene assorbita dallo strato di silicio nano -strutturato senza essere emessa come luce di differente colore, fatto che spiega la forte attenuazione osservata. Tuttavia una emissione dello strato di silicio nano- strutturato à ̈ comunque presente ed ha una banda di emissione molto stretta. Tale risultato indica la presenza nella matrice porosa di nanocristalli di silicio le dimensioni dei quali, oltre a consentire la fotoluminescenza, sono distribuite su un intervallo molto stretto attorno al valore medio.

La presente invenzione consente il conseguimento di una pluralità di vantaggi, in particolare rispetto ai processi produttivi dei dispositivi emettitori noti nell’ arte.

In particolare, come più sopra già evidenziato, il processo produttivo di un dispositivo emettitore avente uno strato convertitore realizzato in un materiale a base di silicio nano- strutturato secondo l’invenzione consente di definire e predeterminare in un’unica fase di processo sia la lunghezza d’onda fondamentale che la banda di emissione della radiazione elettromagnetica emessa dal dispositivo. In dettaglio, variando l’intensità di corrente applicata, à ̈ possibile variare le dimensioni dei cristalli di silicio nano -strutturato e, pertanto, selezionare in un’unica fase di processo sia la lunghezza d’onda fondamentale che la banda di emissione della radiazione elettromagnetica emessa dal dispositivo. Tale aspetto risulta particolarmente vantaggioso sia in termini di versatilità del processo produttivo che in termini di costi di quest’ultimo e, pertanto, anche di costo di produzione del dispositivo medesimo.

Inoltre, il suddetto processo produttivo presenta una buona riproducibilità ed un utilizzo efficiente del silicio di partenza in quanto, una volta rimossa la membrana di silicio nano-strutturato così ottenuta, il substrato di silicio cristallino rimanente può essere riutilizzato per formare una nuova membrana consentendo l’impiego del substrato per tutto il suo spessore con notevole riduzione degli scarti di produzione.

Ulteriormente, le dimensioni delle membrane e delle microparticelle di silicio nano- strutturato sono tali da semplificare le fasi di assemblaggio del dispositivo emettitore finale e risulta garantita una maggiore stabilità delle proprietà dello spettro di emissione della luce emessa dal dispositivo.

Il dispositivo emettitore secondo la presente invenzione può trovare applicazione in tutti quei settori ove à ̈ richiesta una sorgente di luce nello spettro del visibile, sia essa una luce bianca o colorata, anche laddove sia richiesta una sorgente luminosa di piccole dimensioni.

Un primo esempio à ̈ rappresentato dal settore dell’ illuminazione che può includere: a) sistemi di illuminazione pubblica o privata, sia per interni che per esterni, dove generalmente sono richieste sorgenti luminose caratterizzate da efficienza elevata e bassi consumi (sia in termini di risparmio energetico che di riduzione dell’impatto ambientale); b) segnaletica luminosa per i mezzi di trasporto, dove sono richieste sorgenti luminose colorate e ben visibili anche in difficili condizioni atmosferiche; c) sistemi di illuminazione artistici ed architettonici, dove sono richieste sorgenti luminose bianche o colorate versatili e di facile configurazione; d) sistemi di visione artificiale dove à ̈ richiesta una luce brillante, focalizzata ed omogenea.

Un secondo esempio à ̈ rappresentato dal settore della medicina che può includere: a) la cromoterapia, dove sono richieste sorgenti di luce colorata per la cura di determinate patologie; b) la fotobiomodulazione, dove sono richieste sorgenti di luce atermiche che non devono produrre danni alle cellule del tessuto trattato; c) apparecchiature elettromedicali di analisi, quale l’endoscopio, dove vengono richieste sorgenti luminose di piccole dimensioni, Un ulteriore esempio à ̈ rappresentato dal settore dell’agricoltura, dove la coltivazione può essere resa più efficiente selezionando per ciascun tipo di coltura la sorgente luminosa avente lunghezza d’onda e banda di emissione appropriate.

Claims (31)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica comprendente: • almeno uno strato di materiale semiconduttore atto ad emettere una prima radiazione elettromagnetica in una prima lunghezza d’onda, ed • almeno uno strato convertitore associato a detto almeno uno strato di materiale semiconduttore, detto strato convertitore essendo atto a convertire almeno parzialmente detta prima radiazione elettromagnetica cosicché la radiazione elettromagnetica prodotta ed uscente da detto dispositivo emettitore à ̈ emessa in una seconda lunghezza d’onda differente da detta prima lunghezza d’onda, caratterizzato dal fatto che il materiale di detto almeno uno strato convertitore comprende silicio nano- strutturato.
2. 2. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strato convertitore à ̈ posizionato al di sopra di detto almeno uno strato di materiale semiconduttore.
3. 3. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strato convertitore à ̈ formato da microparticelle di silicio nano- strutturato.
4. 4. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette microparticelle di silicio nano- strutturato sono inglobate in una matrice polimerica di supporto.
5. 5. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta matrice polimerica di supporto à ̈ una resina siliconica.
6. 6. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strato convertitore à ̈ formato da almeno una membrana di silicio nano-strutturato.
7. 7. Dispositivo emettitore secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo à ̈ un LED.
8. 8. Dispositivo emettitore secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che le dimensioni dei cristalli di detto silicio nano-strutturato sono inferiori od uguali a 100 nm.
9. 9. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che dette dimensioni sono inferiori od uguali a 50 nm.
10. 10. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che dette dimensioni sono comprese tra 2 e 50 nm.
11. 11. Dispositivo emettitore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che dette dimensioni sono inferiori od uguali a 2 nm.
12. 12. Processo di produzione di un dispositivo emettitore di radiazione elettromagnetica secondo le rivendicazioni da 1 a 11, comprendente le fasi di: • produrre a partire da un substrato di silicio cristallino almeno uno strato di materiale comprendente silicio nano- strutturato, ed • associare detto almeno uno strato di materiale comprendente silicio nano -strutturato ad almeno uno strato di materiale semiconduttore di detto dispositivo emettitore a formare detto almeno uno strato convertitore di lunghezza d’onda.
13. 13. Processo di produzione secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di produrre determina la realizzazione di una membrana di silicio nano-strutturato.
14. 14. Processo di produzione secondo la rivendicazione 13, comprendente la fase di rimuovere detta membrana di silicio nano-strutturato da detto substrato di silicio cristallino, detta fase di rimuovere essendo eseguita dopo detta fase di produrre.
15. 15. Processo di produzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 14, caratterizzato dal fatto che detta fase di produrre comprende una fase di dissoluzione di detto substrato di silicio cristallino.
16. 16. Processo di produzione secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detta fase di dissoluzione avviene per via elettrochimica (ECE - Electrochemical Etching).
17. 17. Processo di produzione secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detta fase di dissoluzione avviene per via chimica (Stain Etching).
18. 18. Processo di produzione secondo una qualunque delle rivendicazioni da 15 a 17, comprendente una fase di rimozione dell’ossido nativo posseduto da detto substrato di silicio cristallino.
19. 19. Processo di produzione secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta fase di rimozione dell’ossido nativo à ̈ eseguita prima di detta fase di dissoluzione.
20. 20. Processo di produzione secondo la rivendicazione 16, comprendente una fase di deposizione di un film metallico sulla superficie di appoggio di detto substrato di silicio cristallino.
21. 21. Processo di produzione secondo una qualunque delle rivendicazioni da 15 a 20, comprendente una fase di asciugatura di detta membrana di silicio nano-strutturato.
22. 22. Processo di produzione secondo la rivendicazione 13, comprendente la fase di frantumare la suddetta membrana di silicio nano- strutturato a formare una pluralità di microparticelle di silicio nano- strutturato, detta fase di frantumare essendo eseguita successivamente a detta fase di rimuovere.
23. 23. Processo di produzione secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detta fase di frantumare à ̈ eseguita meccanicamente oppure mediante ultrasuoni.
24. 24. Processo di produzione secondo la rivendicazione 13, comprendente la fase di ossidare detta membrana di silicio nano- strutturato, detta fase di ossidare essendo eseguita successivamente a detta fase di rimuovere.
25. 25. Processo di produzione secondo la rivendicazione 22, comprendente la fase di inglobare detta pluralità di microparticelle di silicio nano- strutturato in una matrice polimerica di supporto.
26. 26. Processo di produzione secondo la rivendicazione 25, in cui detta fase di inglobare comprende la fase di dosare la quantità di microparticelle di silicio nano-strutturato.
27. 27. Processo di produzione secondo la rivendicazione 25, in cui detta fase di inglobare comprende la fase di miscelare detta pluralità di microparticelle di silicio nano- strutturato con il materiale polimerico di detta matrice polimerica di supporto.
28. 28. Processo di produzione secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 27, in cui detta fase di associare comprende la fase di depositare detto almeno uno strato di materiale comprendente del silicio nano- strutturato su detto dispositivo emettitore a formare detto almeno uno strato convertitore di lunghezza d’onda.
29. 29. Uso di un materiale comprendente silicio nano- strutturato per modificare remissione spettrale di una radiazione elettromagnetica emessa da un dispositivo emettitore.
30. 30. Uso secondo la rivendicazione 29, caratterizzato dal fatto che detto silicio nano-strutturato à ̈ utilizzato sotto forma di membrana.
31. 31. Uso secondo la rivendicazione 29, caratterizzato dal fatto che detto silicio nano-strutturato à ̈ utilizzato sotto forma di microparticelle. Milano, 1° agosto 2012