WO2015059294A1 - Dispositif emissif lumineux et procede d'ajustement de son emission - Google Patents

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Alexei Tchelnokov
Bruno Mourey
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Definitions

  • the invention relates to the field of light-emitting diodes (called LEDs or LEDs), and in particular that of light emitting devices comprising one or more LEDs (bulbs, screens, projectors, image walls, etc.).
  • the invention also relates to a device and a method for adjusting the light emission characteristics of an LED, which can serve in particular to determine power supply parameters of the LED to obtain a light emission according to a length of light. wave and a desired light intensity.
  • LEDs When producing certain LEDs, such as LEDs intended to be coupled with phosphor converting part of the blue light emitted by the LEDs into a yellow light and finally having a white light emission, these LEDs are sorted at the output to keep only those whose emission wavelength corresponds precisely to the desired wavelength, for example the optimal wavelength to excite phosphorus in the case of LEDs used to emit white light.
  • the wavelength value emitted by the LEDs depends on several parameters of the LEDs, in particular the composition of the quantum well materials of the LEDS and the thickness of these quantum wells.
  • a large substrate (100 mm, 150 mm, or 200 mm diameter) is used to grow various semiconductor materials (for example by epitaxy), these stacks of materials forming the corresponding quantum wells. to the emitting layers of the LEDs.
  • the substrate is then cut into very small rectangles ("dies" in English), forming individual chips having one or more LEDs. Electrical contacts are then made and phosphorus is added in the form of a coating on the emitting part of the LEDs.
  • Small variations in quantum well thickness and / or quantum well material composition due to the fabrication steps implemented, have a significant influence on the emission wavelength obtained at the output of the LEDs.
  • an LED comprising several InGaN-based quantum wells and normally emitting at a wavelength of about 420 nm
  • a modification of about 1% of the indium composition in the semiconductor of the quantum wells modifies by about 5 nm the wavelength emitted by the LED.
  • a change of about 0.5 nm in the thickness of one of the InGaN quantum wells with a nominal thickness of about 2.5 nm of such an LED results in a wavelength shift. emission of about 10 nm.
  • the values of these two parameters can vary greatly from one LED to another at the output of production, in particular because of the growth processes used for their manufacture, which can create important variations of the color finally emitted by the LEDs.
  • An object of the present invention is to propose a light emitting device comprising at least one light-emitting diode and which makes it possible to overcome and compensate for any variations in the wavelength emitted by the light-emitting diode, for example due to variations the electroluminescent diode and in particular the thickness and / or the composition of the materials of the emitting layer (s) of the light-emitting diode.
  • the present invention proposes a light emitting device comprising at least:
  • an electroluminescent diode comprising:
  • At least one emitting layer capable of forming a quantum well and comprising a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements A 1, Ga 2 and ⁇ whose atomic composition, or atomic percentage, varies along the thickness of the emissive layer, and / or
  • At least two emissive layers capable of forming two quantum wells and each comprising a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements of A 1, Ga and In, atomic compositions, or the atomic percentages, of said chemical element in the emitting layers being different from each other,
  • a switching power supply capable of supplying the electroluminescent diode electrically with a periodic signal comprising a cyclic ratio a such that ae] ⁇ ; ⁇ ],
  • control device for the switching power supply capable of modifying a peak value and the cyclic ratio a of the periodic signal respectively as a function of the values of the wavelength and of the intensity of the light to be detected, and function of target values of wavelength and intensity.
  • the control device of the light emitting device then adapts the peak value of the periodic signal supplying the light-emitting diode, thus modifying the current density passing through the light-emitting diode, which makes it possible to to shift the value of the wavelength emitted by the light-emitting diode towards the target value sought.
  • control device also adapts the duty cycle of the periodic electric supply signal of the light-emitting diode so that the light emission produced by the light-emitting diode at the right wavelength is also achieved with a light-emitting diode. light intensity corresponding to the desired target intensity value.
  • the light emitting device also uses a light-emitting diode comprising one or more emitting layers forming one or more quantum wells which exhibit variations in the atomic composition of a chemical element of the column 13, or NIA column, of the periodic table of the elements of the ternary or quaternary semiconductor (s) of this or these emitting layers, these corresponding variations either to variations of the atomic composition of said chemical element within the emissive layer or of each of the emissive layers, or to atomic compositions of said chemical element that are different from one layer to another.
  • a light-emitting diode comprising one or more emitting layers forming one or more quantum wells which exhibit variations in the atomic composition of a chemical element of the column 13, or NIA column, of the periodic table of the elements of the ternary or quaternary semiconductor (s) of this or these emitting layers, these corresponding variations either to variations of the atomic composition of said chemical element within the emissive layer or of each of the emissive layers, or to atomic
  • emission wave of the light-emitting diode with respect to a light-emitting diode which would comprise one or more emitting layers whose atomic composition of said semiconductor chemical element of this or these layers would be of constant value throughout the active zone which comprises this or these emissive layers.
  • the ternary or quaternary semiconductor may comprise at least one chemical element of the column 13, or NIA column, of the periodic table of the elements of A 1, Ga and In, and may further comprise at least one chemical element. Column 15, or column VA, of the periodic table of elements.
  • the chemical element of column 15 of the periodic table of the elements can be chosen by N, P, As and Sb. In the case of a ternary semiconductor, this may comprise a chemical element of column 15 of the periodic table of the elements and two chemical elements of column 13 of the periodic table of elements, corresponding, for example, to InGaN . In the case of a quaternary semiconductor, this may comprise a chemical element of column 15 of the periodic table of the elements and three chemical elements of column 13 of the periodic table of elements, corresponding for example to GaAlInN or GaAIlnP or GaAIInAs.
  • the chemical elements of the semiconductors of the emissive layers may be of a similar nature in all the emissive layers, only the atomic compositions of said chemical element varying within the emissive layers or being different from one emissive layer to another.
  • Said chemical element may be indium or aluminum.
  • the expression "atomic composition of said chemical element" corresponds to the atomic percentage X of indium in this semiconductor.
  • the gap of the quantum well varies according to the atomic percentage X of said chemical element in this semiconductor.
  • the emission energy in the quantum well varies according to the thickness of the quantum well and this atomic percentage X.
  • atomic composition of said chemical element corresponds to the atomic percentage of one of the elements of column 13, for example the atomic percentage of indium or aluminum, relative to atomic percentage of the other of the elements of column 13, for example the atomic percentage of gallium.
  • the light-emitting diode, the device for detecting the value of the wavelength and the intensity of the light to be emitted, the control device and the switching power supply can thus together form a feedback loop enabling to control and regulate the wavelength and the intensity of the light emitted by the light-emitting diode of such a light emitting device.
  • Such a light emissive device also makes it possible to compensate for the effects of aging of the light emitting diode. Indeed, since the wavelength emitted by a light-emitting diode varies over time and its brightness decreases with time, such a light emitting device makes it possible to compensate for these effects due to the aging of the light-emitting diode and therefore to prolong its duration of use and its lifetime.
  • the wavelength emitted by the light-emitting diode corresponds to the wavelength for which the light intensity is maximum in the emission spectrum of the light-emitting diode.
  • the light emitting diode may comprise several emissive layers each capable of forming a quantum well, each of said emissive layers possibly comprising at least one ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of column 13 of the periodic table of the elements Ga and In whose atomic composition varies along the thickness of said emissive layer, and / or whose atomic compositions in the emissive layers are different from each other.
  • a difference between atomic compositions of said chemical element in two emissive layers may be greater than or equal to about 0.2%.
  • the emitting layer or each of the emissive layers may be arranged against and between two barrier layers each comprising a semiconductor.
  • the semiconductors of the barrier layers may advantageously be of the same family as that of the emissive layer or those of the emissive layers.
  • the barrier layers may each comprise a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements of A 1, Ga and In whose atomic composition is of lesser value than that of the atomic composition of said chemical element in the emissive layer disposed against and between said barrier layers such that a gap in said emitting layer is less than a gap in said barrier layers, the semiconductor chemical elements of the barrier layers being of a similar nature to the chemical elements of the semiconductor of the emissive layer or layers.
  • Such barrier layers allow to widen the range of values on which the wavelength to be emitted by the light emitting diode can be adjusted.
  • the light-emitting diode may further comprise at least one n-doped semiconductor layer and at least one p-doped semiconductor layer between which at least the emitting layer or layers are located. These doped semiconductor layers form the pn junction of the light-emitting diode, the zone active electroluminescent diode comprising in particular the emitting layer or layers being disposed between these doped semiconductor layers.
  • the semiconductors used to make the light emitting diode may all be of the family of nitrides, that is to say comprising nitrogen as a common element of the column 15, or column VA, of the periodic table of the elements.
  • the value of this atomic composition may be, at a first face of said emissive layer or each of said emissive layers disposed on the side of the n-doped semiconductor layer, greater than the value of that at a second face, opposite to the first face and disposed on the side of the p-doped semiconductor layer, of said emitting layer or of each of said emissive layers, and / or, when the atomic compositions of said chemical element in the emissive layers are different from each other, the values of said atomic compositions can increase from one emitting layer to another in the direction of from the p-doped semiconductor layer to the n-doped semiconductor layer.
  • the light emitting device may be such that:
  • a variation of the atomic composition of said chemical element along the thickness of the or each of the emitting layers and / or a maximum difference between the atomic compositions of said chemical element in the emitting layers may be between about 0.2% and 2% (value of the variation of the atomic percentage of said chemical element), and / or
  • the atomic composition of said chemical element along the thickness of the or each of the emissive layers and / or the atomic compositions of said chemical element in the emitting layers may be between about 15% and 17% (values of the atomic percentages of said chemical element).
  • the semiconductor of the emissive layer or the semiconductors of the emissive layers may be InGaN.
  • the device for detecting the value of the wavelength and the intensity of the light to be emitted by the light-emitting diode may have a plurality of photodiodes optically coupled to the light emitting diode and electrically connected to the control device of the switching power supply.
  • Such photodiodes may in particular be made with the light-emitting diode in the same semiconductor substrate.
  • the light-emitting diode may furthermore comprise, at the level of an exit face of the light, phosphor able to modify the wavelength of a part of the light intended to be emitted by the light-emitting diode.
  • the periodic signal may be a square signal.
  • This square signal may also be called a rectangular signal, the value of its duty ratio may vary and is not necessarily equal to 0.5.
  • the frequency of the periodic signal may be between about 20 Hz and 1 MHz. In this way, the light emitted by the light emitting device and observed by a person is perceived as constant by this person because of the retinal persistence.
  • the invention also relates to a device for adjusting a wavelength and an intensity of a light intended to be emitted by a light emitting diode comprising at least one emitting layer capable of forming a quantum well and comprising at least a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements among A 1, Ga and In whose atomic composition varies along the thickness of the emitting layer, and / or at least two emissive layers capable of forming two quantum wells and each comprising at least one ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements A 1, Ga and In, the atomic compositions of said chemical element in the emitting layers being different from each other, the adjusting device comprising at least:
  • a switching power supply capable of supplying the electroluminescent diode electrically with a periodic signal comprising a duty ratio a such that a e] ⁇ ; ⁇ ],
  • control device for the switching power supply capable of modifying a peak value and the cyclic ratio a of the periodic signal respectively as a function of the values of the wavelength and of the intensity of the light intended to be detected, and according to target values of the wavelength and the intensity.
  • Such an adjustment device may for example be used to test light-emitting diodes in order to determine, for each of these light-emitting diodes, the values of the duty cycle and the peak value of the power supply signal making it possible to obtain light emission. whose wavelength and intensity correspond to the target values sought.
  • the invention also relates to a method for adjusting a wavelength and an intensity of a light intended to be emitted by a light-emitting diode comprising at least one emitting layer capable of forming a quantum well and comprising at least a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements of A 1, Ga and I n whose atomic composition varies along the thickness of the emitting layer, and / or at least two emissive layers capable of forming two quantum wells and each comprising at least one ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements A 1, Ga and l
  • the atomic compositions of said chemical element in the emitting layers being different from each other, the method comprising at least the following steps: detection of the value of the wavelength and of the intensity of the light emitted by the light-emitting diode,
  • FIG. 2 diagrammatically represents an electrical signal supplying electrically an LED of the light emitting device object of the present invention
  • FIG. 3 shows schematically a first embodiment of an LED light emitting device object of the present invention
  • FIG. 4 represents the forbidden band energy within the active zone of the LED according to the first exemplary embodiment, as a function of the position along the thickness of the active zone of the LED;
  • FIG. 5 represents the rate of radiative recombinations within the emitting layer of the LED according to the first exemplary embodiment, as a function of the position along the thickness of the emitting layer of the LED and for a current density. about 100 A / cm 2 crossing the LED;
  • FIG. 6 represents the luminous intensity of the LED according to the first exemplary embodiment as a function of the emission energy when the LED is traversed by a current density of approximately 100 A / cm 2 ;
  • FIG. 7 represents the rate of radiative recombinations within the emitting layer of the LED according to the first embodiment, as a function of the position along the thickness of the emitting layer of the LED and for a current density. about 450 A / cm 2 crossing the LED;
  • FIG. 8 represents the luminous intensity of the LED according to the first exemplary embodiment as a function of the emission energy when the LED is traversed by a current density of approximately 450 A / cm 2 ;
  • FIG. 9 schematically represents a second exemplary embodiment of an LED of the light emitting device which is the subject of the present invention.
  • FIGS. 10 to 12 show band structures of the active zone of the LED, according to various exemplary embodiments, of the light emitting device of the present invention
  • FIGS. 13A and 13B schematically represent exemplary embodiments of an LED, in the form of a nanowire, of the light emitting device that is the subject of the present invention.
  • the light emitting device 100 comprises an LED 102 which is here intended to produce a light emission of white color.
  • This white light emission is obtained thanks to an emitting structure of the LED 102 capable of emitting a blue light and phosphorus covering this emissive structure, this phosphor making it possible to convert part of the emitted blue light into a yellow light.
  • the LED 102 is mechanically and electrically coupled to a substrate 104, for example made of silicon, via fusible material balls 106. As a variant, the LED 102 could be made directly by growth on the substrate 104.
  • the LED 102 is able to emit both from a rear face facing the substrate 104 and from a front face opposite the rear face.
  • the light emitting device 100 comprises a device for detecting the value of a wavelength and an intensity of the light emitted by the LED 102 comprising here two photodiodes 108 made in the substrate 104, and which are arranged opposite the back of the LED 102.
  • a first of the two photodiodes 108 detects the wavelengths lower than a first cut-off wavelength called ⁇ and for example equal to about 450 nm.
  • a second of the two photodiodes 108 detects the wavelengths greater than a second cut-off wavelength called ⁇ 2 which is such that ⁇ 2 > ⁇ and for example equal to approximately 470 nm.
  • the first cut-off wavelength ⁇ is for example defined by a low-pass filter formed in front of the first of the two photodiodes 108 (between this first photodiode and the LED 102) and the second cut-off wavelength ⁇ 2 is by example defined by a high-pass filter formed in front of the second of the two photodiodes 108 (between this second photodiode and the LED 102).
  • the device for detecting the value of a wavelength and intensity of the light emitted by the LED 102 also comprises calculation means (not shown in FIG. 1) coupled to the photodiodes 108 and making it possible to calculate, from the sum of the electrical signals, or photo-currents, delivered by the photodiodes 108 the intensity of the light, or total luminous power, emitted by the LED 102.
  • calculation means also make it possible to calculate the wavelength of the light emitted by the LED 102 from the ratio between the electrical signals delivered by the two photodiodes 108.
  • the detection of the value of the wavelength emitted by the LED 102 and the detection of the intensity of the light emitted by the LED 102 could be carried out by two distinct devices.
  • the light emitting device 100 also comprises a switching power supply 110 for electrically supplying the LED 102.
  • This switching power supply 110 delivers a voltage or a current in the form of a periodic signal, for example a square signal, of period T and whose peak value Imax or Umax and a cycle ratio a are adjustable, the duty ratio a being such that a G] ⁇ ; ⁇ ].
  • FIG. 2 represents an example of the periodic supply signal of the LED 102, here a current of the form of a square signal.
  • control device 111 receiving as input the detected values of the wavelength and the intensity of the light emitted by the LED 102 and delivering as output a control signal sent to the switching power supply 110 (alternatively, it is possible that the control device 111 and the switching power supply 110 form a single element). These elements form a feedback loop such that the peak value Imax or Umax and the duty cycle a of the signal delivered by the switching power supply 110 are a function of the desired wavelength and intensity for the light intended to be emitted by the LED 102.
  • the peak value and the cycle ratio of the feed signal are adjusted so that the sum and the ratio photocurrents delivered by the photodiodes 108 are of values equal to those obtained for a desired intensity and wavelength (these target values of the sum and the ratio of the photocurrents are known or determined beforehand with an LED serving reference).
  • these two devices can be optically coupled to the LED 102 and electrically connected to the controller 111 by forming two feedback loops.
  • the detection device of the light emitting device 100 can be made integrated to the substrate as described for example in the document US 2009/0040755 A1.
  • a first embodiment of the LED 102 is shown schematically in FIG.
  • the LED 102 has a p-n junction formed by an n-doped semiconductor layer 112 and a p-doped semiconductor layer 114.
  • the semiconductor of the layers 112 and 114 is for example GaN.
  • Layer 112 is n-doped with a donor concentration of between about 10 17 and 5.10 19 donors / cm 3 .
  • the layer 114 is p-doped with an acceptor concentration of between 10 17 and 5.10 19 donors / cm 3 .
  • These two layers 112 and 114 have for example each a thickness (dimension along the Z axis shown in Figure 3) between about 20 nm and 10 ⁇ .
  • a first transparent electrode 116 is disposed against the n-doped layer 112 and forms a cathode of the LED 102
  • a second transparent electrode 118 is disposed against the p-doped layer 114 and forms an anode of the LED 102.
  • the LED 102 comprises, between the n-doped layer 112 and the p-doped layer 114, an active zone 120 comprising an emitting layer 122 comprising a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements 'Ai, Ga and In, here of the InGaN, forming a quantum well of the LED 102.
  • This semiconductor may furthermore comprise at least one chemical element of the column 15 of the periodic table of the elements, which may be chosen by the N, the P, the Ace and the Sb.
  • the thickness of the emitting layer 122 is for example equal to about 3 nm and more generally between about 0.5 nm and 10 nm.
  • the active zone 120 also comprises two barrier layers 124.1 and 124.2 preferably comprising the same semiconductor as the basic semiconductor to which said chemical element, for example indium, is added to form the ternary or quaternary semiconductor. of the emitting layer 122, that is to say here GaN, between which the emitting layer 122 is disposed.
  • the first barrier layer 124.1 is disposed between the n-doped layer 112 and the emitting layer 122
  • the second barrier layer 124.2 is disposed between the p-doped layer 114 and the emitting layer 122.
  • the thickness of each of the barrier layers 124.1 and 124.2 is for example between about 1 nm and 25 nm.
  • All the layers of the active zone 120 of the LED 102 that is to say the emitting layer 122 and the barrier layers 124.1 and 124.2, comprise unintentionally doped materials (residual donor concentration n n id equal to about 10 17 donors / cm 3 , or between about 10 15 and 10 18 donors / cm 3 ).
  • the atomic composition of said semiconductor chemical element of the emitting layer 122 corresponding here to the atomic composition of the indium in the InGaN of the emitting layer 122, or to the atomic percentage of indium in the InGaN, varies along the thickness (dimension along the Z axis shown in Figure 3) of the emitting layer 122.
  • this indium composition varies in a decreasing manner in the direction from the n 112 doped layer to the p-doped layer 114.
  • the indium composition of the emitting layer 122 at a first face 121 lying against the first barrier layer 124.1, that is to say on the side of the n 112 doped layer is equal to about 16% (atomic percentage value of indium), this indium composition varying substantially continuously and decreasing along the thickness of the emitting layer 122 to reach, at a second level f ace 123 of the emitting layer 122 lying against the second barrier layer 124.2, that is to say on the side of the p-doped layer 114, a value equal to about 15%.
  • the band gap energy obtained within such an emitting layer 122, as well as in a part of the barrier layers 124.1 and 124.2 in contact with the emitting layer 122, as a function of the thickness of these layers, is represented on the figure 4.
  • FIG. 5 represents the rate of radiative recombinations within the emitting layer 122, as a function of the position along the thickness of the emitting layer 122, for a current density of about 100 A / cm 2 crossing the LED. 102 (this current density value of about 100 A / cm 2 corresponding to a standard power supply of an LED).
  • FIG. 5 shows that a maximum value, referenced 10, of the rate of radiative recombinations within the emitting layer 122 is obtained on the richest indium side, that is to say at the level of the first face. 121 of the emitting layer 122 lying against the first barrier layer 124.1 and having an indium composition equal to about 16%, where the band gap energy is lowest in the emitting layer 122, the side of the layer doped n 112.
  • FIG. 6 represents the luminous intensity (in arbitrary units in this figure) of the LED 102 as a function of the emission energy (in eV) when the LED 102 is traversed by a current density of approximately 100 A / cm 2 . It can be seen in this FIG. 6 that the emission intensity is maximum for an emission energy of approximately 2.74 eV, which corresponds to a wavelength equal to approximately 452 nm. This value of 452 nm is therefore equivalent to the wavelength emitted by the LED 102 when it is powered with a current density equal to about 100 A / cm 2 .
  • FIG. 7 represents the rate of radiative recombinations within the emitting layer 122, as a function of the position along the thickness of the emitting layer 122, for a current density of approximately 450 A / cm 2 crossing the LED. 102. It can be seen from this FIG. 7 that a maximum value, referenced 12, of the rate of radiative recombinations within the emitting layer 122 is obtained on the side that is less rich in indium, that is to say at the level of the second face 123 of the emitting layer 122 lying against the second barrier layer 124.2 and having an indium composition equal to about 15%, where the forbidden band energy is the strongest in the emitting layer 122, on the side of the p-doped layer 114.
  • FIG. 8 represents the luminous intensity (in arbitrary units) of the LED 102 as a function of the emission energy (in eV) when the LED 102 is traversed by a current density of about 450 A / cm 2 . It can be seen in this FIG. 8 that the emission intensity is maximum for an emission energy of approximately 2.81 eV, which corresponds to a wavelength equal to approximately 441 nm. This value of 441 nm is therefore comparable to the wavelength emitted by the LED 102 when the latter is powered with a current density equal to about 450 A / cm 2 .
  • the variation of the indium composition within the emitting layer 122 makes it possible to have a strong adaptability of the wavelength emitted by the emitting layer 122 by varying the density
  • the "position" within the quantum well is varied, at the level of which the maximum of radiative recombinations occurs.
  • the indium composition varies according to the position within this quantum well, the emission energy obtained, and therefore the wavelength emitted by the LED 102, then also varies as a function of this current density. .
  • the emission wavelength of LED 102 varies by about 9 nm by varying the current density by a factor equal to about 4.5. More generally, with a variation of about 1% of the indium composition within the emitting layer of the LED, it is possible to adjust the emission wavelength over a range of about 10 nm. varying the current density by a factor of about 5.
  • the wavelength emitted by the LED 102 is thus adjusted (within the adjustment range obtained by the variation of the indium composition of the emitting layer 122 ) by adjusting the peak value of the power supply signal of the LED 102, for example here the adjustment of the value Imax of the current delivered by the switching power supply 110 (the current density passing through the LED 102 being function of this value Imax), which is effected according to the desired emission wavelength.
  • the control device 111 receiving the input signals delivered by the photodiodes 108 then commands the switching power supply 110 to output a current of greater amplitude. Conversely, if the photodiodes 108 detect that the LED 102 emits light of wavelength too low, the control device 111 then commands the switching power supply 110 to output a current of smaller amplitude.
  • this emission light intensity of the LED 102 is adjusted to the desired level via the adjustment of the duty cycle a of the signal periodic power supply of LED 102.
  • the intensity of the light emitted by the LED 102 will be dependent on the peak value but also on the value of a.
  • the value of a is for example chosen equal at about 0.22 when the LED 102 is traversed by a current density equal to about 450 A / cm 2 to obtain a light of the same light intensity as when the LED 102 is traversed by a current density equal to about 100 A / cm 2 .
  • the period T of the periodic power supply signal of the LED 102 is chosen sufficiently small not to observe any flickering or blinking of LED 102, and corresponding for example to a frequency between about 20 Hz and 1 MHz.
  • the control device 111 receiving as input the signal delivered by this detection device then commands the switching power supply 110 to output the output current with a smaller duty cycle a. Conversely, if the light intensity detection device emitted by the LED 102 detects that the LED 102 emits light with too little intensity, the control device 111 then commands the switching power supply 110 to deliver the output current with a larger duty cycle a.
  • FIG. 9 schematically represents a second exemplary embodiment of the LED 102.
  • the active zone 120 of the LED 102 according to this second exemplary embodiment comprises several quantum wells formed by an alternation of emitting layers 122.1 to 122.5 and barrier layers 124.1 to 124.6, each of the emitting layers 122.1 to 122.5 being disposed between and against two of the barrier layers 124.1 to 124.6.
  • Each of the emitting layers 122.1 to 122.5 comprises InGaN whose indium composition varies along the thickness of these layers such that this composition varies increasingly in the direction from the p-doped layer 114 to the n-doped layer. 112, as for the emitting layer 122 previously described for the LED 102 according to the first embodiment.
  • the emitting layers 122.1 to 122.5 are similar to each other, and each has an indium composition varying from 15% to 16% from one face to the other of each of them. of these layers in the direction from the p-doped layer 114 to the n-doped layer 112.
  • Each of the emitting layers 122.1 to 122.5 for example, has a thickness (dimension along the axis
  • each of the barrier layers 124.1 to 124.6 has, for example, a thickness equal to approximately 5 nm.
  • the 0 V band structure of the active zone 120 of the LED 102 according to the second exemplary embodiment is shown schematically in FIG. 10 (in which the abscissa represents the direction of growth of the layers of the LED 102, and the ordinate represents the energy of bands within the layers of the LED 102).
  • the references of the different layers of the active zone 120 are recalled in this figure. It can be seen in FIG. 10 that the variation of the indium composition in each of the emitting layers 122.1 to 122.5 generates variations of the valence and conduction bands within the quantum wells of the active zone 120 formed by these emissive layers 122.1 to 122.5 .
  • the LED 102 As for the LED 102 according to the first exemplary embodiment, it is therefore possible to adjust the wavelength emitted by each quantum well by adjusting the current density passing through the LED 102. Because the indium composition in each of the Since the emitting layers 122.1 to 122.5 vary identically from one layer to another, the wavelength emitted from each of the quantum wells formed by these layers is substantially identical from one quantum well to another.
  • each emitting layer 122.1 to 122.5 it is possible for each emitting layer 122.1 to 122.5 to comprise InGaN whose indium composition is constant within each of the emitting layers 122.1 to 122.5. , but which are different from one emissive layer to another.
  • the filling of the quantum wells of the LED 102 by the charge carriers is modified.
  • the quantum well, among those of the active zone 120, which produces the light emission of such an LED 102 therefore changes as a function of the value of the current density passing through the LED 102. Because the quantum wells have different compositions in indium, this therefore implies a variation of the wavelength emitted by LED 102.
  • the difference in indium composition between the last emitting layer 122.5, which corresponds to that of which InGaN has the lowest indium composition, and the first emitting layer 122.1, which corresponds to the one whose InGaN has the highest indium composition, that is to say the maximum difference between the atomic compositions of indium in the emitting layers 122.1 to 122.5, may be the same order of magnitude as the difference in indium composition within a single emitting layer of LED 102 according to the second embodiment previously described in connection with FIG. if the indium composition varies within each of the emissive layers.
  • the indium composition of the InGaN of the first emitting layer 122.1 is for example equal to about 16%, and that of the last emitting layer 122.5 is for example equal to about 15%.
  • FIG. 11 represents the 0 V band structure of such an LED 102 according to this variant of the second exemplary embodiment (on which the abscissa represents the direction of growth of the layers of the LED 102, and the ordinate represents the band energy within the layers of
  • the LED 102 may comprise two emissive layers, forming two quantum wells, each comprising a ternary or quaternary semiconductor comprising at least one chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements by Al, Ga and In, the atomic compositions of said chemical element in these two emissive layers being different by at least 0.2%.
  • This semiconductor may further comprise at least one chemical element of column 15 of the periodic table of the elements that may be chosen by N, P, As and Sb.
  • These two emissive layers comprise, for example, InGaN respectively comprising atomic compositions of indium equal to approximately 16% and 16.2%.
  • These two emissive layers are for example separated from each other by a GaN barrier layer of thickness equal to about 3 nm.
  • the variation of the atomic composition of said chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements for example the atomic composition of indium, along the thickness of the or each emissive layers, or a maximum difference between the atomic compositions of said chemical element in the emitting layers, may especially be between about 0.1% and 2%, or between about 0.2% and 2%, or between about 0%, 2% and 1%.
  • this atomic composition of said chemical element along the thickness of the or each of the emissive layers or the atomic compositions of said chemical element in the emissive layers may be between about 15% and 17%, or between about 15% and 16%, or between about 16% and 17%.
  • the LED 102 may comprise a different number of emitting layers each forming a quantum well of light emission, advantageously greater than 5 and for example equal to 10.
  • the first emitting layer that located on the side of the n-doped layer 112 may comprise InGaN with an indium concentration equal to about 17% and the last emitting layer (that lying on the side of the p-doped layer 114) may comprise InGaN with an indium concentration equal to about 15%.
  • LED 102 With such an LED 102, it is possible to vary the emitted wavelength over a range of about 15 nm, for example between about 455 nm and 440 nm for current densities ranging from 10 A / cm 2 to 100 nm. A / cm 2 .
  • the barrier layers can be based on at least one ternary or quaternary semiconductor, for example InGaN, comprising at least one chemical element.
  • ternary or quaternary semiconductor for example InGaN, comprising at least one chemical element.
  • the n-doped layer 112 may also comprise a semiconductor similar to that of the emissive layers such as InGaN.
  • FIG. 12 shows the 0 V band structure of an LED 102 having 10 InGaN emitting layers 122.1 to 122.10 with different indium atomic compositions ranging from about 17% on the n 112 doped layer side to about 15% on the side of the p-doped layer 114.
  • the n 112 doped layer may comprise of the InGaN with an indium atomic composition equal to about 12%, and the p-doped layer 114 may comprise GaN.
  • the InGaN barrier layers 124.1 to 124.11 also comprise indium whose atomic composition varies increasingly in the direction from the p-doped layer 114 to the n-doped layer 112.
  • the semiconductor used for the different elements of the LED 102 comprises GaN (with addition of indium for producing the emitting layers, and possibly for producing the barrier layers and / or the doped layer n 112).
  • GaN with addition of indium for producing the emitting layers, and possibly for producing the barrier layers and / or the doped layer n 112).
  • the LED 102 from any semiconductor for performing pn junctions suitable for light-emitting diodes to one or more quantum wells comprising a ternary or quaternary semiconductor having at least one element chemical of column 13 of the periodic table of the elements chosen by Ai, Ga and ⁇ .
  • large-gap semiconductors such as, for example, GalnN, ZnO, or ZnMgO potentially capable of producing light emission in the wavelength range.
  • the chemical element of the column 13 of the periodic table of the elements added for the production of the emitting layers and possibly for the production of the barrier layers and / or the doped layer n being be indium or aluminum or gallium. It is also possible to use smaller gap semiconductors such as, for example, ⁇ , GaP, InGaP, InAs, GaAs, InGaAs, AIGalnP, of AIGaAs.
  • the LED 102 previously described according to the various embodiments can be made in the form of a planar diode, that is to say in the form of a stack of layers formed for example by epitaxial growth on a substrate, the main faces of the different layers being arranged parallel to the plane of the substrate (parallel to the (X, Y) plane).
  • LED 102 may also be in the form of a nanowire.
  • FIG. 13A shows such an LED 102 made in the form of an axial nanowire, this nanowire comprising a stack formed of the first electrode 116, a semiconductor substrate 126 (for example silicon) of the n-type, a nucleation layer 128 for growing the nanowire, the first n-doped semiconductor layer 112, the active area 120, the second p-doped semiconductor layer 114, and the second electrode 118.
  • An insulating material 130 may surround at least a portion of this nanowire which extends parallel to the Z axis.
  • FIG. 13B represents an LED 102 made in the form of a radial nanowire, this nanowire comprising a stack formed of the first electrode 116, the semiconductor substrate 126, the nucleation layer 128 and the first layer 112 of doped semiconductor n. Insulating portions 130 partially surround the first layer 112 and the nucleation layer 128.
  • the active zone 120 formed of the barrier layers 124 and the emitting layers 122, is made such that it surrounds a portion of the n-doped layer 112.
  • the second p-doped semiconductor layer 114 is made as it surrounds the active area 120.
  • the second electrode 118 is made by covering the second layer 114.
  • the structure of these nanowires can be reversed, with in this case a p-type semiconductor substrate 128 on which the second layer 114 is made and then the other elements of the LED 102 in the reverse order of that described in Figures 13A and 13B.
  • planar-type LED 102 may be similar for the LED 102 made in the form of a nanowire.
  • the device 100 previously described may not be intended to achieve a light emission, and correspond to a device for adjusting a wavelength and intensity of a light intended to be emitted by an LED.
  • a device for adjusting a wavelength and intensity of a light intended to be emitted by an LED may for example be used to test light-emitting diodes in order to determine, for each of these diodes electroluminescent values, the values of the duty cycle and the peak value of the power supply signal making it possible to obtain a light emission whose wavelength and intensity correspond to the desired target values.
  • the device 100 may include a location (not shown) for temporarily connecting the LEDs tested.

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Abstract

Dispositif émissif lumineux (100) comportant : • une diode électroluminescente (102) comprenant : • une couche émissive comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Al, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive, et/ou au moins deux couches émissives comprenant chacune un tel semi-conducteur, les compositions atomiques dudit élément étant différentes d'une couche à l'autre, • un dispositif (108) détecteur d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière émise par la diode, • une alimentation électrique à découpage (110) apte à alimenter la diode par un signal périodique comprenant un rapport cyclique a, • un dispositif (111) de commande de l'alimentation électrique à découpage apte à modifier a et une valeur crête du signal périodique en fonction des valeurs détectées et de valeurs cibles.

Description

DISPOSITIF EMISSIF LUMINEUX ET PROCEDE D'AJUSTEMENT DE SON EMISSION
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L'invention concerne le domaine des diodes électroluminescentes (appelées DELs ou LEDs), et notamment celui des dispositifs émissifs lumineux comprenant une ou plusieurs LEDs (ampoules, écrans, projecteurs, murs d'images, etc.). L'invention concerne également un dispositif et un procédé d'ajustement de caractéristiques d'émission lumineuse d'une LED, pouvant servir notamment à déterminer des paramètres d'alimentation électrique de la LED permettant d'obtenir une émission lumineuse selon une longueur d'onde et une intensité lumineuse souhaitées.
Lors de la réalisation de certaines LEDs, telles que des LEDs destinées à être couplées à du phosphore convertissant une partie de la lumière bleue émise par les LEDs en une lumière jaune et avoir au final une émission de lumière blanche, ces LEDs sont triées en sortie de production pour ne garder que celles dont la longueur d'onde d'émission correspond précisément à la longueur d'onde recherchée, par exemple la longueur d'onde optimale pour exciter le phosphore dans le cas des LEDs servant à émettre une lumière blanche. Or, la valeur de longueur d'onde émise par les LEDs dépend de plusieurs paramètres des LEDs, en particulier de la composition des matériaux des puits quantiques des LEDS et de l'épaisseur de ces puits quantiques.
Pour la production de ces LEDs, un substrat de grande taille (100 mm, 150 mm, ou 200 mm de diamètre) est utilisé pour faire croître divers matériaux semiconducteurs (par exemple par épitaxie), ces empilements de matériaux formant notamment les puits quantiques correspondant aux couches émissives des LEDs. Le substrat est ensuite découpé en très petits rectangles (« dies » en anglais), formant des puces individuelles comportant une ou plusieurs LEDs. Des contacts électriques sont ensuite réalisés et du phosphore est ajouté sous la forme d'un revêtement sur la partie émissive des LEDs. De faibles variations de l'épaisseur des puits quantiques et/ou de la composition des matériaux des puits quantiques, dues aux étapes de fabrication mises en œuvre, ont une influence significative sur la longueur d'onde d'émission obtenue en sortie des LEDs. Ainsi, pour une LED comportant plusieurs puits quantiques à base d'InGaN et émettant normalement à une longueur d'onde d'environ 420 nm, une modification d'environ 1 % de la composition en indium dans le semi-conducteur des puits quantiques, c'est-à-dire de la proportion d'indium dans l'InGaN, modifie d'environ 5 nm la longueur d'onde émise par la LED. De même, une modification d'environ 0,5 nm de l'épaisseur d'un des puits quantiques d'InGaN d'épaisseur nominal d'environ 2,5 nm d'une telle LED entraîne un décalage de la longueur d'onde d'émission d'environ 10 nm.
Or, les valeurs de ces deux paramètres (épaisseur et composition des matériaux des puits quantiques) peuvent varier beaucoup d'une LED à une autre en sortie de production, notamment à cause des procédés de croissance mis en œuvre pour leur fabrication, pouvant créer d'importantes variations de la couleur émise au final par les LEDs.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif émissif lumineux comprenant au moins une diode électroluminescente et qui permet de s'affranchir et compenser d'éventuelles variations de la longueur d'onde émise par la diode électroluminescente, par exemple dues à des variations structurelles de la diode électroluminescente et notamment de l'épaisseur et/ou de la composition des matériaux de la ou des couches émissives de la diode électroluminescente.
Pour cela, la présente invention propose un dispositif émissif lumineux comportant au moins :
une diode électroluminescente comprenant :
• au moins une couche émissive apte à former un puits quantique et comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et ΓΙη dont la composition atomique, ou le pourcentage atomique, varie le long de l'épaisseur de la couche émissive, et/ou
• au moins deux couches émissives aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques, ou les pourcentages atomiques, dudit élément chimique dans les couches émissives étant différentes l'une par rapport à l'autre,
un dispositif de détection de la valeur d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente, une alimentation électrique à découpage apte à alimenter électriquement la diode électroluminescente par un signal périodique comprenant un rapport cyclique a tel que a e ]θ;ΐ],
un dispositif de commande de l'alimentation électrique à découpage apte à modifier une valeur crête et le rapport cyclique a du signal périodique respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité.
Un tel dispositif émissif lumineux permet donc de compenser d'éventuelles variations de la longueur d'onde émise par la diode électroluminescente, par exemple dues à des variations dans la structure des couches émissives de la diode électroluminescente, en jouant sur les paramètres d'alimentation électrique de la diode électroluminescente. En effet, si la diode électroluminescente émet, lorsqu'elle est alimentée avec un signal périodique standard, une lumière dont la valeur de la longueur d'onde ne correspond pas à la valeur cible recherchée (par exemple la longueur d'onde optimale d'excitation du phosphore), cette différence entre la valeur de la longueur d'onde émise et la valeur cible est détectée par le dispositif de détection du dispositif émissif lumineux. Le dispositif de commande du dispositif émissif lumineux adapte alors la valeur crête du signal périodique alimentant la diode électroluminescente, modifiant ainsi la densité de courant traversant la diode électroluminescente, ce qui permet de décaler la valeur de la longueur d'onde émise par la diode électroluminescente vers la valeur cible recherchée.
La modification de la densité de courant traversant la diode électroluminescente entraine un changement de l'intensité de la lumière émise par la diode électroluminescente. Afin que cette modification de la valeur de la densité de courant traversant la diode électroluminescente n'affecte pas l'intensité avec laquelle la lumière est émise par la diode électroluminescente et que la valeur de l'intensité de la lumière émise corresponde à la valeur cible recherchée de cette intensité lumineuse, le dispositif de commande adapte également le rapport cyclique a du signal périodique d'alimentation électrique de la diode électroluminescente afin que l'émission lumineuse réalisée par la diode électroluminescente à la bonne longueur d'onde le soit également avec une intensité lumineuse correspondant à la valeur d'intensité cible recherchée.
En outre, afin qu'il soit possible d'ajuster la longueur d'onde d'émission de la diode électroluminescente dans une gamme de valeurs suffisamment large, le dispositif émissif lumineux fait également appel à une diode électroluminescente comportant une ou plusieurs couches émissives formant un ou plusieurs puits quantiques qui présentent des variations dans la composition atomique d'un élément chimique de la colonne 13, ou colonne NIA, du tableau périodique des éléments du ou des semiconducteurs ternaires ou quaternaires de cette ou de ces couches émissives, ces variations correspondant soit à des variations de la composition atomique dudit élément chimique au sein de la couche émissive ou de chacune des couches émissives, soit à des compositions atomiques dudit élément chimique différentes d'une couche à l'autre. De telles inhomogénéités de compositions, faisant varier l'énergie de gap dans la ou les couches émissives, favorisent l'adaptabilité en longueur d'onde de la diode électroluminescente en permettant d'avoir une plus grande latitude sur l'ajustement de la longueur d'onde d'émission de la diode électroluminescente par rapport à une diode électroluminescente qui comporterait une ou plusieurs couches émissives dont la composition atomique dudit élément chimique du semi-conducteur de cette ou de ces couches serait de valeur constante dans toute la zone active qui comporte cette ou ces couches émissives. Le semi-conducteur ternaire ou quaternaire peut comporter au moins un élément chimique de la colonne 13, ou colonne NIA, du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, et peut comporter en outre au moins un élément chimique de la colonne 15, ou colonne VA, du tableau périodique des éléments. L'élément chimique de la colonne 15 du tableau périodique des éléments peut être choisi par le N, le P, l'As et le Sb. Dans le cas d'un semi-conducteur ternaire, celui-ci peut comporter un élément chimique de la colonne 15 du tableau périodique des éléments et deux éléments chimiques de la colonne 13 du tableau périodique des éléments, correspondant par exemple à de l'InGaN. Dans le cas d'un semi-conducteur quaternaire, celui-ci peut comporter un élément chimique de la colonne 15 du tableau périodique des éléments et trois éléments chimiques de la colonne 13 du tableau périodique des éléments, correspondant par exemple à du GaAIInN ou du GaAIlnP ou du GaAIInAs.
Les éléments chimiques des semi-conducteurs des couches émissives peuvent être de nature similaire dans toutes les couches émissives, seules les compositions atomiques dudit élément chimique variant au sein des couches émissives ou étant différentes d'une couche émissive à l'autre.
Ledit élément chimique peut être de l'indium ou de l'aluminium. Par exemple, lorsque le semi-conducteur est l'lnxGa(i-x)N, l'expression « composition atomique dudit élément chimique » correspond au pourcentage atomique X d'indium dans ce semi-conducteur. Dans ce cas, le gap du puits quantique varie en fonction du pourcentage atomique X dudit élément chimique dans ce semi-conducteur. De plus, l'énergie d'émission dans le puits quantique varie en fonction de l'épaisseur du puits quantique et de ce pourcentage atomique X.
Dans le cas d'un semi-conducteur ternaire ou quaternaire, c'est-à-dire de type alliage ternaire ou quaternaire, correspondant à un semi-conducteur lll-V comportant au moins deux éléments de la colonne 13, ou colonne NIA, du tableau périodique des éléments et au moins un élément de la colonne 15, ou colonne VA, du tableau périodique des éléments, l'expression « composition atomique dudit élément chimique » correspond au pourcentage atomique de l'un des éléments de la colonne 13, par exemple au pourcentage atomique d'indium ou d'aluminium, par rapport au pourcentage atomique de l'autre des éléments de la colonne 13, par exemple au pourcentage atomique de gallium.
La diode électroluminescente, le dispositif de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise, le dispositif de commande et l'alimentation électrique à découpage peuvent donc former ensemble une boucle de rétroaction permettant de réaliser un contrôle et une régulation de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière émise par la diode électroluminescente d'un tel dispositif émissif lumineux.
Un tel dispositif émissif lumineux permet aussi de compenser les effets du vieillissement de la diode électroluminescente. En effet, étant donné que la longueur d'onde émise par une diode électroluminescente varie dans le temps et que sa luminosité diminue avec le temps, un tel dispositif émissif lumineux permet de compenser ces effets dus au vieillissement de la diode électroluminescente et donc de prolonger sa durée d'utilisation et sa durée de vie.
Avec de tels dispositifs émissifs lumineux, il est donc possible d'homogénéiser la longueur d'onde d'émission des diodes électroluminescentes présentant par exemple des variations structurelles dues aux étapes de leur fabrication, sans avoir à trier et éliminer une grande partie des puces en sortie de fabrication. Ceci permet de réduire le « binning », c'est-à-dire le tri des puces après épitaxie et hybridation du fait de leur dispersion en longueur d'onde d'émission.
La longueur d'onde émise par la diode électroluminescente correspond à la longueur d'onde pour laquelle l'intensité lumineuse est maximale dans le spectre d'émission de la diode électroluminescente.
Un tel dispositif émissif lumineux peut correspondre par exemple à une ampoule à diode(s) électroluminescente(s) dans laquelle le dispositif de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise, le dispositif de commande et l'alimentation électrique à découpage sont réalisés sous la forme d'une électronique intégrée à l'ampoule. Ce dispositif émissif lumineux peut également correspondre à un écran, un projecteur ou un mur d'images comportant plusieurs diodes électroluminescentes. Le gap, ou l'énergie de bande interdite, d'une couche émissive apte à former un puits quantique, peut être inférieur au gap de couches barrières entre lesquelles est disposée la couche émissive.
La diode électroluminescente peut comporter plusieurs couches émissives chacune apte à former un puits quantique, chacune desdites couches émissives pouvant comprendre au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de ladite couche émissive, et/ou dont les compositions atomiques dans les couches émissives sont différentes les unes par rapport aux autres.
Une différence entre des compositions atomiques dudit élément chimique dans deux couches émissives peut être supérieure ou égale à environ 0,2 %.
La couche émissive ou chacune des couches émissives peut être disposée contre et entre deux couches barrières comportant chacune un semiconducteur. Les semi-conducteurs des couches barrières peuvent être avantageusement de la même famille que celui de la couche émissive ou que ceux des couches émissives.
Les couches barrières peuvent comporter chacune un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique est de valeur inférieure à celle de la composition atomique dudit élément chimique dans la couche émissive disposée contre et entre lesdites couches barrières tel qu'un gap dans ladite couche émissive soit inférieur à un gap dans lesdites couches barrières, les éléments chimiques du semi-conducteur des couches barrières étant de nature similaire aux éléments chimiques du semi-conducteur de la ou des couches émissives. De telles couches barrières permettent d'élargir la gamme de valeurs sur laquelle la longueur d'onde destinée à être émise par la diode électroluminescente peut être ajustée.
La diode électroluminescente peut comporter en outre au moins une couche de semi-conducteur dopée n et au moins une couche de semi-conducteur dopée p entre lesquelles se trouve au moins la ou les couches émissives. Ces couches de semiconducteur dopées forment la jonction p-n de la diode électroluminescente, la zone active de la diode électroluminescente comprenant notamment la ou les couches émissives étant disposée entre ces couches de semi-conducteur dopées.
Les semi-conducteurs utilisés pour réaliser la diode électroluminescente peuvent être tous de la famille des nitrures, c'est-à-dire comportant de l'azote comme élément commun de la colonne 15, ou colonne VA, du tableau périodique des éléments.
Lorsque la composition atomique dudit élément chimique varie le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives, la valeur de cette composition atomique peut être, au niveau d'une première face de ladite couche émissive ou de chacune desdites couches émissives disposée du côté de la couche de semi-conducteur dopée n, supérieure à la valeur de celle au niveau d'une deuxième face, opposée à la première face et disposée du côté de la couche de semi-conducteur dopée p, de ladite couche émissive ou de chacune desdites couches émissives, et/ou, lorsque les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives sont différentes les unes par rapport aux autres, les valeurs desdites compositions atomiques peuvent augmenter d'une couche émissive à l'autre dans le sens allant de la couche de semi-conducteur dopée p à la couche de semi-conducteur dopée n.
Le dispositif émissif lumineux peut être tel que :
- une variation de la composition atomique dudit élément chimique le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives et/ou une différence maximale entre les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives peut être comprise entre environ 0,2 % et 2 % (valeur de la variation du pourcentage atomique dudit élément chimique), et/ou
- la composition atomique dudit élément chimique le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives et/ou les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives peuvent être comprises entre environ 15 % et 17 % (valeurs des pourcentages atomiques dudit élément chimique).
Le semi-conducteur de la couche émissive ou les semi-conducteurs des couches émissives peuvent être de l'InGaN.
Le dispositif de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente peut comporter plusieurs photodiodes couplées optiquement à la diode électroluminescente et reliées électriquement au dispositif de commande de l'alimentation électrique à découpage. De telles photodiodes peuvent notamment être réalisées avec la diode électroluminescente dans un même substrat de semi-conducteur. Il est possible d'avoir par exemple deux photodiodes détectant différentes gammes de longueurs d'ondes émises par la diode électroluminescente, les photo-courants délivrés par ces deux photodiodes permet de déterminer la puissance lumineuse totale émise par la diode électroluminescente ainsi que le spectre d'émission de la diode électroluminescente et donc la longueur d'onde d'émission de la diode électroluminescente.
La diode électroluminescente peut comporter en outre, au niveau d'une face de sortie de la lumière, du phosphore apte à modifier la longueur d'onde d'une partie de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente.
Le signal périodique peut être un signal carré. Ce signal carré peut également être appelé signal rectangulaire, la valeur de son rapport cyclique a pouvant varier et n'est pas nécessairement égal à 0,5.
La fréquence du signal périodique peut être comprise entre environ 20 Hz et 1 MHz. De cette manière, la lumière émise par le dispositif émissif lumineux et observée par une personne est perçue comme constante par cette personne en raison de la persistance rétinienne.
L'invention concerne également un dispositif d'ajustement d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par une diode électroluminescente comprenant au moins une couche émissive apte à former un puits quantique et comprenant au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive, et/ou au moins deux couches émissives aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives étant différentes l'une par rapport à l'autre, le dispositif d'ajustement comprenant au moins :
- un dispositif de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente,
- une alimentation électrique à découpage apte à alimenter électriquement la diode électroluminescente par un signal périodique comprenant un rapport cyclique a tel que a e ]θ;ΐ],
- un dispositif de commande de l'alimentation électrique à découpage apte à modifier une valeur crête et le rapport cyclique a du signal périodique respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité.
Un tel dispositif d'ajustement peut par exemple servir à tester des diodes électroluminescentes afin de déterminer, pour chacune de ces diodes électroluminescentes, les valeurs du rapport cyclique et de la valeur crête du signal d'alimentation électrique permettant d'obtenir une émission de lumière dont la longueur d'onde et l'intensité correspondent aux valeurs cibles recherchées.
L'invention concerne également un procédé d'ajustement d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par une diode électroluminescente comprenant au moins une couche émissive apte à former un puits quantique et comprenant au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'I n dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive, et/ou au moins deux couches émissives aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives étant différentes l'une par rapport à l'autre, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : - détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière émise par la diode électroluminescente,
- ajustement d'une valeur crête et d'un rapport cyclique a tel que a G ]θ;ΐ] d'un signal périodique alimentant électriquement la diode électroluminescente, respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité, ces étapes étant répétées de manière itérative jusqu'à ce que les valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière détectées soient sensiblement égales aux valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif émissif lumineux, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier ;
- la figure 2 représente schématiquement un signal électrique alimentant électriquement une LED du dispositif émissif lumineux objet de la présente invention ;
- la figure 3 représente schématiquement un premier exemple de réalisation d'une LED du dispositif émissif lumineux objet de la présente invention ;
- la figure 4 représente l'énergie de bande interdite au sein de la zone active de la LED selon le premier exemple de réalisation, en fonction de la position le long de l'épaisseur de la zone active de la LED ;
- la figure 5 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive de la LED selon le premier exemple de réalisation, en fonction de la position le long de l'épaisseur de la couche émissive de la LED et pour une densité de courant d'environ 100 A/cm2 traversant la LED ; - la figure 6 représente l'intensité lumineuse de la LED selon le premier exemple de réalisation en fonction de l'énergie d'émission lorsque la LED est traversée par une densité de courant d'environ 100 A/cm2 ;
- la figure 7 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive de la LED selon le premier exemple de réalisation, en fonction de la position le long de l'épaisseur de la couche émissive de la LED et pour une densité de courant d'environ 450 A/cm2 traversant la LED ;
- la figure 8 représente l'intensité lumineuse de la LED selon le premier exemple de réalisation en fonction de l'énergie d'émission lorsque la LED est traversée par une densité de courant d'environ 450 A/cm2 ;
- la figure 9 représente schématiquement un deuxième exemple de réalisation d'une LED du dispositif émissif lumineux objet de la présente invention ;
- les figures 10 à 12 représentent des structures de bandes de la zone active de la LED, selon différents exemples de réalisation, du dispositif émissif lumineux objet de la présente invention ;
- les figures 13A et 13B représentent schématiquement des exemples de réalisation d'une LED, sous forme de nanofil, du dispositif émissif lumineux objet de la présente invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être com prises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente schématiquement un dispositif émissif lumineux 100 selon un mode de réalisation particulier. Le dispositif émissif lumineux 100 comporte une LED 102 qui est ici destinée à réaliser une émission lumineuse de couleur blanche. Cette émission lumineuse de couleur blanche est obtenue grâce à une structure émissive de la LED 102 apte à émettre une lumière bleue et à du phosphore recouvrant cette structure émissive, ce phosphore permettant de convertir une partie de la lumière bleue émise en une lumière de couleur jaune. La LED 102 est couplée mécaniquement et électriquement sur un substrat 104, par exemple en silicium, via des billes de matériau fusible 106. En variante, la LED 102 pourrait être réalisée directement par croissance sur le substrat 104. La LED 102 est apte à émettre à la fois depuis une face arrière se trouvant en regard du substrat 104 et depuis une face avant opposée à la face arrière.
Le dispositif émissif lumineux 100 comporte un dispositif de détection de la valeur d'une longueur d'onde et d'une intensité de la lumière émise par la LED 102 comportant ici deux photodiodes 108 réalisées dans le substrat 104, et qui sont disposées en regard de la face arrière de la LED 102. Une première des deux photodiodes 108 détecte les longueurs d'ondes inférieures à une première longueur d'onde de coupure appelée λι et par exemple égale à environ 450 nm. Une deuxième des deux photodiodes 108 détecte les longueurs d'ondes supérieures à une deuxième longueur d'onde de coupure appelée λ2 qui est telle que λ2 > λι et par exemple égale à environ 470 nm. La première longueur d'onde de coupure λι est par exemple définie par un filtre passe-bas formée devant la première des deux photodiodes 108 (entre cette première photodiode et la LED 102) et la deuxième longueur d'onde de coupure λ2 est par exemple définie par un filtre passe-haut formée devant la deuxième des deux photodiodes 108 (entre cette deuxième photodiode et la LED 102).
Le dispositif de détection de la valeur d'une longueur d'onde et d'une intensité de la lumière émise par la LED 102 comporte également des moyens de calcul (non représentés sur la figure 1) couplés aux photodiodes 108 et permettant de calculer, à partir de la somme des signaux électriques, ou photo-courants, délivrés par les photodiodes 108 l'intensité de la lumière, ou puissance lumineuse totale, émise par la LED 102. Ces moyens de calcul permettent également de calculer la longueur d'onde de la lumière émise par la LED 102 à partir du rapport entre les signaux électriques délivrés par les deux photodiodes 108.
En variante, la détection de la valeur de la longueur d'onde émise par la LED 102 et la détection de l'intensité de la lumière émise par la LED 102 pourraient être réalisées par deux dispositifs distincts.
Le dispositif émissif lumineux 100 comporte également une alimentation électrique à découpage 110 permettant d'alimenter électriquement la LED 102. Cette alimentation à découpage 110 délivre une tension ou un courant sous la forme d'un signal périodique, par exemple un signal carré, de période T et dont une valeur crête Imax ou Umax et un rapport de cycle a sont ajustables, le rapport cyclique a étant tel que a G ]θ;ΐ] . La figure 2 représente un exemple du signal périodique d'alimentation de la LED 102, ici un courant de la forme d'un signal carré.
Ces paramètres du signal électrique délivré par l'alimentation à découpage 110 sont commandés par un dispositif de commande 111 recevant en entrée les valeurs détectées de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière émise par la LED 102 et délivrant en sortie un signal de commande envoyé à l'alimentation à découpage 110 (en variante, il est possible que le dispositif de commande 111 et l'alimentation électrique à découpage 110 forment un seul élément). Ces éléments forment une boucle de rétroaction telle que la valeur crête Imax ou Umax et le rapport cyclique a du signal délivré par l'alimentation à découpage 110 soient fonction de la longueur d'onde et de l'intensité souhaitées pour la lumière destinée à être émise par la LED 102. Ainsi, pour ajuster l'intensité et la longueur d'onde de la lumière émise par la LED 102, la valeur crête et le rapport de cycle du signal d'alimentation sont ajustés pour que la somme et le rapport des photo-courants délivrés par les photodiodes 108 soient de valeurs égales à celles obtenues pour une intensité et une longueur d'onde souhaitées (ces valeurs cibles de la somme et du rapport des photo-courants sont connues ou déterminées au préalable avec une LED servant de référence). Lorsque la détection de la longueur d'onde et la détection de l'intensité lumineuse sont réalisées par deux dispositifs distincts, ces deux dispositifs peuvent être couplés optiquement à la LED 102 et reliés électriquement au dispositif de commande 111 en formant deux boucles de rétroaction.
Le dispositif de détection du dispositif émissif lumineux 100 peut être réalisé de manière intégré au substrat comme décrit par exemple dans le document US 2009/0040755 Al.
Un premier exemple de réalisation de la LED 102 est représenté schématiquement sur la figure 3.
La LED 102 comporte une jonction p-n formée par une couche de semiconducteur dopée n 112 et une couche de semi-conducteur dopée p 114.
Le semi-conducteur des couches 112 et 114 est par exemple du GaN. La couche 112 est dopée n avec une concentration de donneurs comprise entre environ 1017 et 5.1019 donneurs/cm3. La couche 114 est dopée p avec une concentration d'accepteurs comprise entre environ 1017 et 5.1019 donneurs/cm3.
Ces deux couches 112 et 114 ont par exemple chacune une épaisseur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 3) comprise entre environ 20 nm et 10 μιη. Une première électrode transparente 116 est disposée contre la couche dopée n 112 et forme une cathode de la LED 102, et une deuxième électrode transparente 118 est disposée contre la couche dopée p 114 et forme une anode de la LED 102.
La LED 102 comporte, entre la couche dopée n 112 et la couche dopée p 114, une zone active 120 comprenant une couche émissive 122 comprenant un semiconducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, ici de l'InGaN, formant un puits quantique de la LED 102. Ce semi-conducteur peut comporter en outre au moins un élément chimique de la colonne 15 du tableau périodique des éléments, pouvant être choisi par le N, le P, l'As et le Sb. L'épaisseur de la couche émissive 122 est par exemple égale à environ 3 nm et plus généralement comprise entre environ 0,5 nm et 10 nm. La zone active 120 comporte également deux couches barrières 124.1 et 124.2 comprenant de préférence le même semi-conducteur que le semi-conducteur de base auquel ledit élément chimique, par exemple de l'indium, est ajouté pour former le semi- conducteur ternaire ou quaternaire de la couche émissive 122, c'est-à-dire ici du GaN, entre lesquelles la couche émissive 122 est disposée. Ainsi, la première couche barrière 124.1 est disposée entre la couche dopée n 112 et la couche émissive 122, et la deuxième couche barrière 124.2 est disposée entre la couche dopée p 114 et la couche émissive 122. L'épaisseur de chacune des couches barrières 124.1 et 124.2 est par exemple comprise entre environ 1 nm et 25 nm. Toutes les couches de la zone active 120 de la LED 102, c'est-à-dire la couche émissive 122 et les couches barrières 124.1 et 124.2, comportent des matériaux non intentionnellement dopés (de concentration en donneurs résiduels nnid égale à environ 1017 donneurs/cm 3, ou comprise entre environ 1015 et 1018 donneurs/cm3).
La composition atomique dudit élément chimique du semi-conducteur de la couche émissive 122, correspondant ici à la composition atomique de l'indium dans l'InGaN de la couche émissive 122, ou encore au pourcentage atomique d'indium dans l'InGaN, varie le long de l'épaisseur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 3) de la couche émissive 122. Dans cet exemple de réalisation, cette composition en indium varie de manière décroissante dans le sens allant de la couche dopée n 112 à la couche dopée p 114. Plus précisément, la composition en indium de la couche émissive 122 au niveau d'une première face 121 se trouvant contre la première couche barrière 124.1, c'est-à-dire du côté de la couche dopée n 112, est égale à environ 16 % (valeur du pourcentage atomique d'indium), cette composition en indium variant de manière sensiblement continue et décroissante le long de l'épaisseur de la couche émissive 122 jusqu'à atteindre, au niveau d'une deuxième face 123 de la couche émissive 122 se trouvant contre la deuxième couche barrière 124.2, c'est-à-dire du côté de la couche dopée p 114, une valeur égale à environ 15 %. L'énergie de bande interdite obtenue au sein d'une telle couche émissive 122, ainsi que dans une partie des couches barrières 124.1 et 124.2 en contact avec la couche émissive 122, en fonction de l'épaisseur de ces couches, est représentée sur la figure 4.
Grâce à cette variation de la composition en indium dans le semiconducteur de la couche émissive 122 de la LED 102 et aux éléments précédemment décrits du dispositif émissif lumineux 100, il va être possible d'ajuster aisément la longueur d'onde d'émission de la LED 102 ainsi que l'intensité lumineuse d'émission de la LED 102 à des valeurs cibles souhaitées.
La figure 5 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive 122, en fonction de la position le long de l'épaisseur de la couche émissive 122, pour une densité de courant d'environ 100 A/cm2 traversant la LED 102 (cette valeur de densité de courant d'environ 100 A/cm2 correspondant à une valeur standard d'alimentation d'une LED). On voit sur cette figure 5 qu'une valeur maximale, référencée 10, du taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive 122 est obtenue du côté le plus riche en indium, c'est-à-dire au niveau de la première face 121 de la couche émissive 122 se trouvant contre la première couche barrière 124.1 et qui comporte une composition en indium égale à environ 16 %, là où l'énergie de bande interdite est la plus faible dans la couche émissive 122, du côté de la couche dopée n 112.
La figure 6 représente l'intensité lumineuse (en unités arbitraires sur cette figure) de la LED 102 en fonction de l'énergie d'émission (en eV) lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant d'environ 100 A/cm2. On voit sur cette figure 6 que l'intensité d'émission est maximale pour une énergie d'émission d'environ 2,74 eV, ce qui correspond à une longueur d'onde égale à environ 452 nm. Cette valeur de 452 nm est donc assimilée à la longueur d'onde émise par la LED 102 lorsque celle-ci est alimentée avec une densité de courant égale à environ 100 A/cm2.
La figure 7 représente le taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive 122, en fonction de la position le long de l'épaisseur de la couche émissive 122, pour une densité de courant d'environ 450 A/cm2 traversant la LED 102. On voit sur cette figure 7 qu'une valeur maximale, référencée 12, du taux de recombinaisons radiatives au sein de la couche émissive 122 est obtenue du côté le moins riche en indium, c'est-à-dire au niveau de la deuxième face 123 de la couche émissive 122 se trouvant contre la deuxième couche barrière 124.2 et qui comporte une composition en indium égale à environ 15 %, là où l'énergie de bande interdite est la plus forte dans la couche émissive 122, du côté de la couche dopée p 114.
La figure 8 représente l'intensité lumineuse (en unités arbitraires) de la LED 102 en fonction de l'énergie d'émission (en eV) lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant d'environ 450 A/cm2. On voit sur cette figure 8 que l'intensité d'émission est maximale pour une énergie d'émission d'environ 2,81 eV, ce qui correspond à une longueur d'onde égale à environ 441 nm. Cette valeur de 441 nm est donc assimilée à la longueur d'onde émise par la LED 102 lorsque celle-ci est alimentée avec une densité de courant égale à environ 450 A/cm2.
A partir des figures 5 à 8, on voit donc que la variation de la composition en indium au sein de la couche émissive 122 permet d'avoir une forte adaptabilité de la longueur d'onde émise par la couche émissive 122 en faisant varier la densité du courant injecté dans la LED 102. En effet, en faisant varier cette densité de courant, on fait varier la « position » au sein du puits quantique au niveau de laquelle se produit le maximum de recombinaisons radiatives. Or, du fait que la composition en indium varie selon la position au sein de ce puits quantique, l'énergie d'émission obtenue, et donc la longueur d'onde émise par la LED 102, varie alors également en fonction cette densité de courant.
Dans l'exemple précédemment décrit, la longueur d'onde d'émission de la LED 102 varie d'environ 9 nm en faisant varier la densité de courant d'un facteur égal à environ 4,5. Plus généralement, avec une variation d'environ 1% de la composition d'indium au sein de la couche émissive de la LED, il est possible d'ajuster la longueur d'onde d'émission sur une plage d'environ 10 nm en faisant varier la densité de courant d'un facteur égal à environ 5.
Grâce au dispositif de détection de la valeur de la longueur d'onde émise par la LED 102 qui est formé par les deux photodiodes 108 du dispositif émissif lumineux 100 précédemment décrit, ce dispositif de détection étant relié au dispositif de commande 111 lui-même relié à l'alimentation à découpage 110 en formant une boucle de rétroaction, la longueur d'onde émise par la LED 102 est donc ajustée (au sein de la plage d'ajustement obtenue par la variation de la composition en indium de la couche émissive 122) via l'ajustement de la valeur crête du signal d'alimentation électrique de la LED 102, par exemple ici l'ajustement de la valeur Imax du courant délivré par l'alimentation à découpage 110 (la densité de courant traversant le LED 102 étant fonction de cette valeur Imax), qui s'effectue en fonction de la longueur d'onde d'émission souhaitée. Ainsi, si les photodiodes 108 détectent que la LED 102 émet une longueur d'onde de valeur trop grande, le dispositif de commande 111 recevant en entrée les signaux délivrés par les photodiodes 108 commande alors à l'alimentation électrique à découpage 110 de délivrer en sortie un courant de plus forte amplitude. Inversement, si les photodiodes 108 détectent que la LED 102 émet une lumière de longueur d'onde trop basse, le dispositif de commande 111 commande alors à l'alimentation électrique à découpage 110 de délivrer en sortie un courant de plus faible amplitude.
La modification de la valeur crête du signal d'alimentation électrique de la LED 102, et donc de la densité de courant traversant la LED 102, impacte la longueur d'onde émise par la LED 102 mais également l'intensité de la lumière émise par la LED 102. Afin d'éviter que l'intensité lumineuse émise par la LED 102 ne soit impactée par la modification de la densité de courant traversant la LED 102 réalisée pour ajuster la longueur d'onde émise (l'intensité lumineuse recherchée correspondant par exemple à celle obtenue lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant d'environ 100 A/cm2), cette intensité lumineuse d'émission de la LED 102 est ajustée au niveau souhaité via l'ajustement du rapport cyclique a du signal périodique d'alimentation électrique de la LED 102.
En effet, en alimentant la LED 102 avec une tension ou un courant sous la forme d'un signal carré périodique comportant un rapport cyclique a (qui est égal au rapport de la durée pendant laquelle, au cours d'une période T, le courant est égal à la valeur crête, sur la durée totale de la période T), l'intensité de la lumière émise par la LED 102 sera dépendante de la valeur crête mais également de la valeur de a. Ainsi, dans l'exemple précédemment décrit, en considérant que l'intensité lumineuse recherchée correspond à celle obtenue lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant égale à environ 100 A/cm2, la valeur de a est par exemple choisie égale à environ 0,22 lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant égale à environ 450 A/cm2 pour obtenir une lumière de même intensité lumineuse que lorsque la LED 102 est traversée par une densité de courant égale à environ 100 A/cm2.
La période T du signal périodique d'alimentation électrique de la LED 102 est choisie suffisamment petite pour ne pas observer de scintillement ou de clignotement de la LED 102, et correspondant par exemple à une fréquence comprise entre environ 20 Hz et 1 MHz.
Ainsi, si le dispositif de détection de l'intensité de la lumière émise par la LED 102 détecte une trop forte intensité, le dispositif de commande 111 recevant en entrée le signal délivré par ce dispositif de détection commande alors à l'alimentation électrique à découpage 110 de délivrer le courant de sortie avec un plus petit rapport cyclique a. Inversement, si le dispositif de détection de l'intensité de la lumière émise par la LED 102 détecte que la LED 102 émet une lumière avec une trop faible intensité, le dispositif de commande 111 commande alors à l'alimentation électrique à découpage 110 de délivrer le courant de sortie avec un plus grand rapport cyclique a.
La figure 9 représente schématiquement un deuxième exemple de réalisation de la LED 102. Par rapport à la LED 102 précédemment décrite en liaison avec la figure 3, la zone active 120 de la LED 102 selon ce deuxième exemple de réalisation comporte plusieurs puits quantiques formés par une alternance de couches émissives 122.1 à 122.5 et de couches barrières 124.1 à 124.6, chacune des couches émissives 122.1 à 122.5 étant disposée entre et contre deux des couches barrières 124.1 à 124.6. Chacune des couches émissives 122.1 à 122.5 comporte de l'InGaN dont la composition en indium varie le long de l'épaisseur de ces couches telle que cette composition varie de manière croissante dans le sens allant de la couche dopée p 114 à la couche dopée n 112, comme pour la couche émissive 122 précédemment décrite pour la LED 102 selon le premier exemple de réalisation. Dans l'exemple de réalisation de la figure 9, les couches émissives 122.1 à 122.5 sont similaires les unes par rapport aux autres, et présentent chacune une composition en indium variant de 15 % à 16 % d'une face à l'autre de chacune de ces couches dans le sens allant de la couche dopée p 114 à la couche dopée n 112. Chacune des couches émissives 122.1 à 122.5 a par exemple une épaisseur (dimension selon l'axe
Z représenté sur la figure 9) égale à environ 1 nm, et chacune des couches barrières 124.1 à 124.6 a par exemple une épaisseur égale à environ 5 nm.
La structure de bandes à 0 V de la zone active 120 de la LED 102 selon le deuxième exemple de réalisation est représentée schématiquement sur la figure 10 (sur laquelle l'abscisse représente la direction de croissance des couches de la LED 102, et l'ordonnée représente l'énergie de bandes au sein des couches de la LED 102). Les références des différentes couches de la zone active 120 sont rappelées sur cette figure. On voit sur la figure 10 que la variation de la composition en indium dans chacune des couches émissives 122.1 à 122.5 engendre des variations des bandes de valence et de conduction au sein des puits quantique de la zone active 120 formés par ces couches émissives 122.1 à 122.5.
Comme pour la LED 102 selon le premier exemple de réalisation, il est donc possible d'ajuster la longueur d'onde émise par chaque puits quantique en ajustant la densité de courant traversant la LED 102. Du fait que la composition en indium dans chacune des couches émissives 122.1 à 122.5 varie de manière identique d'une couche à l'autre, la longueur d'onde émise depuis chacun des puits quantique formés par ces couches est sensiblement identique d'un puits quantique à l'autre.
Selon une variante du deuxième exemple de réalisation de la LED 102 représentée sur la figure 9, il est possible que chaque couche émissive 122.1 à 122.5 comporte de l'InGaN dont la composition en indium soit constante au sein de chacune des couches émissives 122.1 à 122.5, mais qui soient différentes d'une couche émissive à l'autre. Ainsi, en faisant varier la densité de courant traversant la LED 102, le remplissage des puits quantiques de la LED 102 par les porteurs de charges est modifié. Le puits quantique, parmi ceux de la zone active 120, qui réalise l'émission lumineuse d'une telle LED 102 change donc en fonction de la valeur de la densité de courant traversant la LED 102. Du fait que les puits quantiques présentent différentes compostions en indium, cela implique donc une variation de la longueur d'onde émise par la LED 102. La différence de composition en indium entre la dernière couche émissive 122.5, qui correspond à celle dont l'InGaN comporte la plus faible composition en indium, et la première couche émissive 122.1, qui correspond à celle dont l'InGaN comporte la plus forte composition en indium, c'est-à-dire la différence maximale entre les compositions atomiques d'indium dans les couches émissives 122.1 à 122.5, peut être du même ordre de grandeur que la différence de composition en indium au sein d'une seule couche émissive de la LED 102 selon le deuxième exemple de réalisation précédemment décrit en liaison avec la figure 10, lorsque la composition en indium varie au sein de chacune des couches émissives. La composition en indium de l'InGaN de la première couche émissive 122.1 est par exemple égale à environ 16 %, et celle de la dernière couche émissive 122.5 est par exemple égale à environ 15 %. La figure 11 représente la structure de bandes à 0 V d'une telle LED 102 selon cette variante du deuxième exemple de réalisation (sur laquelle l'abscisse représente la direction de croissance des couches de la LED 102, et l'ordonnée représente l'énergie de bandes au sein des couches de la LED 102).
Selon une autre variante, il est possible de réaliser une combinaison des exemples précédemment décrits en liaison avec les figures 10 et 11, c'est-à-dire d'avoir à la fois une variation de la composition atomique dudit élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments (par exemple de l'indium) au sein de chacune des couches émissives de la LED, et que ces variations soient différentes d'une couche émissive à l'autre. Il est par exemple possible d'avoir une variation d'environ 1 % de la composition en indium le long de l'épaisseur de chacune des couches émissives, et d'avoir des compositions en indium dont les valeurs maximales et minimales varient entre 0,1 % et 0,5 % d'une couche émissive à l'autre.
Selon un troisième exemple de réalisation, la LED 102 peut comporter deux couches émissives, formant deux puits quantiques, comportant chacune un semiconducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments par l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimiques dans ces deux couches émissives étant différentes d'au moins 0,2 %. Ce semi-conducteur peut comporter en outre au moins un élément chimique de la colonne 15 du tableau périodique des éléments pouvant être choisi par le N, le P, l'As et le Sb. Ces deux couches émissives comportent par exemple de l'InGaN comportant respectivement des compositions atomiques d'indium égales à environ 16 % et 16,2 %. Ces deux couches émissives sont par exemple séparées l'une de l'autre par une couche barrière de GaN d'épaisseur égale à environ 3 nm.
Dans tous les exemples et variantes de réalisation de la diode électroluminescente précédemment décrits, la variation de la composition atomique dudit élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments, par exemple la composition atomique de l'indium, le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives, ou une différence maximale entre les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives, peut être notamment comprise entre environ 0,1 % et 2 %, ou entre environ 0,2 % et 2 %, ou entre environ 0,2 % et 1 %. De plus, cette composition atomique dudit élément chimique le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives ou les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives peuvent être comprises entre environ 15 % et 17 %, ou entre environ 15 % et 16 %, ou entre environ 16 % et 17 %.
En variante, la LED 102 peut comporter un nombre différent de couches émissives formant chacune un puits quantique d'émission lumineuse, avantageusement supérieur à 5 et par exemple égal à 10. Lorsque la LED 102 comporte 10 couches émissives, la première couche émissive (celle se trouvant du côté de la couche dopée n 112) peut comporter de l'InGaN avec une concentration en indium égale à environ 17 % et la dernière couche émissive (celle se trouvant du côté de la couche dopée p 114) peut comporter de l'InGaN avec une concentration en indium égale à environ 15 %. Avec une telle LED 102, il est possible de faire varier la longueur d'onde émise sur une plage d'environ 15 nm, par exemple entre environ 455 nm et 440 nm pour des densités de courants variant entre 10 A/cm2 et 100 A/cm2.
En variante de tous les exemples et variantes de réalisation de la diode électroluminescente, il est possible que les couches barrières soient à base d'au moins un semi-conducteur ternaire ou quaternaire, par exemple de l'InGaN, comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments, par exemple choisi parmi l'Ai, le Ga et l'In (indium par exemple), dont la composition atomique est de valeur inférieure à celle de la composition atomique dudit élément chimique dans la couche émissive qui est disposée contre et entre lesdites couches barrières. De plus, la couche dopée n 112 peut également comporter un semi-conducteur similaire à celui des couches émissives tel que de l'InGaN.
La figure 12 représente la structure de bandes à 0 V d'une LED 102 comportant 10 couches émissives 122.1 à 122.10 en InGaN comportant des compositions atomiques en indium différentes allant d'environ 17 % du côté de la couche dopée n 112 à environ 15 % du côté de la couche dopée p 114. La couche dopée n 112 peut comporter de l'lnGaN avec une composition atomique en indium égale à environ 12 %, et la couche dopée p 114 peut comporter du GaN. Les couches barrières 124.1 à 124.11 en InGaN comportent également de l'indium dont la composition atomique varie de manière croissante dans le sens allant de la couche dopée p 114 à la couche dopée n 112. Dans une telle configuration, pour des variations de la densité de courant traversant la LED 102 allant d'environ 50 A/cm2 à 200 A/cm2, il est possible de faire varier la longueur d'onde sur une gamme d'environ 20 nm, par exemple entre environ 460 nm et 440 nm.
Dans les différents exemples de réalisation précédemment décrits, le semi-conducteur utilisé pour les différents éléments de la LED 102 comporte du GaN (avec ajout d'indium pour la réalisation des couches émissives, et éventuellement pour la réalisation des couches barrières et/ou de la couche dopée n 112). Toutefois, il est possible de réaliser la LED 102 à partir de n'importe quel semi-conducteur permettant de réaliser des jonctions p-n adaptées pour des diodes électroluminescentes à un ou plusieurs puits quantiques comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments choisi par l'Ai, le Ga et ΓΙη. Il est notamment possible d'utiliser, à la place du GaN, des semi-conducteurs à grands gaps tels que par exemple du GalnN, du ZnO, ou du ZnMgO pouvant potentiellement servir à réaliser une émission lumineuse dans la gamme des longueurs d'ondes correspondant à la couleur bleu ou à l'ultra-violet, l'élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments ajouté pour la réalisation des couches émissives et éventuellement pour la réalisation des couches barrières et/ou de la couche dopée n pouvant être de l'indium ou de l'aluminium ou du gallium. Il est également possible d'utiliser des semi-conducteurs à plus petits gaps tels que par exemple de ΓΙηΡ, du GaP, de l'InGaP, de l'InAs, du G a As, de l'InGaAs, de l'AIGalnP, de l'AIGaAs.
La LED 102 précédemment décrite selon les différents exemples de réalisation peut être réalisée sous la forme d'une diode planaire, c'est-à-dire sous la forme d'un empilement de couches formées par exemple par croissance épitaxiale sur un substrat, les faces principales des différentes couches étant disposées parallèlement au plan du substrat (parallèle au plan (X,Y)). En variante, la LED 102 peut également être réalisée sous la forme d'un nanofil. La figure 13A représente une telle LED 102 réalisée sous la forme d'un nanofil axial, ce nanofil comportant un empilement formé de la première électrode 116, d'un substrat 126 de semi-conducteur (par exemple du silicium) de type n, d'une couche de nucléation 128 permettant la croissance du nanofil, de la première couche 112 de semiconducteur dopé n, de la zone active 120, de la deuxième couche 114 de semi-conducteur dopé p, et de la deuxième électrode 118. Un matériau isolant 130 peut entourer au moins une partie de ce nanofil qui s'étend parallèlement à l'axe Z.
La figure 13B représente une LED 102 réalisée sous la forme d'un nanofil radial, ce nanofil comportant un empilement formé de la première électrode 116, du substrat 126 de semi-conducteur, de la couche de nucléation 128 et de la première couche 112 de semi-conducteur dopé n. Des portions isolantes 130 entourent en partie la première couche 112 et la couche de nucléation 128. La zone active 120, formée des couches barrières 124 et des couches émissives 122, est réalisée telle qu'elle entoure une partie de la couche dopée n 112. La deuxième couche 114 de semi-conducteur dopé p est réalisée telle qu'elle entoure la zone active 120. Enfin, la deuxième électrode 118 est réalisée en recouvrant la deuxième couche 114.
En variante des deux exemples de réalisation décrits sur les figures 13A et 13B, la structure de ces nanofils peut être inversée, avec dans ce cas un substrat 128 de semi-conducteur de type p sur lequel sont réalisés la deuxième couche 114 puis les autres éléments de la LED 102 dans l'ordre inverse de celui décrit sur les figures 13A et 13B.
Les différentes caractéristiques (épaisseurs, dopage, etc.) précédemment exposées pour la LED 102 de type planaire peuvent être similaires pour la LED 102 réalisée sous la forme d'un nanofil.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif 100 précédemment décrit peut ne pas être destiné à réaliser une émission lumineuse, et correspondre à un dispositif d'ajustement d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par une LED. Un tel dispositif d'ajustement peut par exemple servir à tester des diodes électroluminescentes afin de déterminer, pour chacune de ces diodes électroluminescentes, les valeurs du rapport cyclique et de la valeur crête du signal d'alimentation électrique permettant d'obtenir une émission de lumière dont la longueur d'onde et l'intensité correspondent aux valeurs cibles recherchées. Dans ce cas, le dispositif 100 peut comporter un emplacement (non représenté) permettant de connecter temporairement les LED testées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif émissif lumineux (100) comportant au moins :
- une diode électroluminescente (102) comprenant :
· au moins une couche émissive (122, 122.1 - 122.10) apte à former un puits quantique et comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive (122, 122.1 - 122.10), et/ou
· au moins deux couches émissives (122.1 - 122.10) aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) étant différentes l'une par rapport à l'autre,
- un dispositif (108) de détection de la valeur d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente (102),
- une alimentation électrique à découpage (110) apte à alimenter électriquement la diode électroluminescente (102) par un signal périodique comprenant un rapport cyclique a tel que a e ]θ;ΐ],
- un dispositif (111) de commande de l'alimentation électrique à découpage (110) apte à modifier une valeur crête et le rapport cyclique a du signal périodique respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité.
2. Dispositif émissif lumineux (100) selon la revendication 1, dans lequel la diode électroluminescente (102) comporte plusieurs couches émissives (122.1 - 122.10) chacune apte à former un puits quantique, dans lequel chacune desdites couches émissives (122.1 - 122.10) comprend un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de ladite couche émissive (122.1 - 122.10) et/ou dont les compositions atomiques dans les couches émissives (122.1 - 122.10) sont différentes l'une par rapport à l'autre.
3. Dispositif émissif lumineux (100) selon la revendication 2, dans lequel une différence entre des compositions atomiques dudit élément chimique dans deux couches émissives (122.1 - 122.10) est supérieure ou égale à environ 0,2 %.
4. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, et dans lequel la couche émissive (122) ou chacune des couches émissives (122.1 - 122.10) est disposée contre et entre deux couches barrières (124.1 - 124.11) comportant chacune un semi-conducteur.
5. Dispositif émissif lumineux (100) selon la revendication 4, dans lequel les couches barrières (124.1 - 124.11) comportent chacune un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique est de valeur inférieure à celle de la composition atomique dudit élément chimique dans la couche émissive (122, 122.1 - 122.10) disposée contre et entre lesdites couches barrières (124.1 - 124.11) tel qu'un gap dans ladite couche émissive (122, 122.1 - 122.10) soit inférieur à un gap dans lesdites couches barrières (124.1 - 124.11), les éléments chimiques du semi-conducteur des couches barrières (124.1 - 124.11) étant de nature similaire aux éléments chimiques du semi-conducteur de la ou des couches émissives (122, 122.1 - 122.10).
6. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la diode électroluminescente (102) comporte en outre au moins une couche de semi-conducteur dopée n (112) et au moins une couche de semi- conducteur dopée p (114) entre lesquelles se trouvent au moins la ou les couches émissives (122, 122.1 - 122.10).
7. Dispositif émissif lumineux (100) selon la revendication 6, dans lequel :
- lorsque la composition atomique dudit élément chimique varie le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives (122, 122.1 - 122.10), la valeur de cette composition atomique est, au niveau d'une première face (121) de ladite couche émissive (122) ou de chacune desdites couches émissives (122.1 - 122.10) disposée du côté de la couche de semi-conducteur dopée n (112), supérieure à la valeur de celle au niveau d'une deuxième face (123), opposée à la première face (121) et disposée du côté de la couche de semi-conducteur dopée p (114), de ladite couche émissive (122) ou de chacune desdites couches émissives (122.1 - 122.10), et/ou
- lorsque les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) sont différentes les unes par rapport aux autres, les valeurs desdites compositions atomiques augmentent d'une couche émissive (122.1 - 122.10) à l'autre dans le sens allant de la couche de semi-conducteur dopée p (114) à la couche de semi-conducteur dopée n (112).
8. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel :
- une variation de la composition atomique dudit élément chimique le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives (122, 122.1 - 122.10) et/ou une différence maximale entre les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) est comprise entre environ 0,2 % et 2 %, et/ou
- la composition atomique dudit élément chimique le long de l'épaisseur de la ou de chacune des couches émissives (122, 122.1 - 122.10) et/ou les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) sont comprises entre environ 15 % et 17 %.
9. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le semi-conducteur de la couche émissive (122) ou les semiconducteurs des couches émissives (122.1 - 122.10) sont de l'InGaN.
10. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif (108) de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente comporte plusieurs photodiodes couplées optiquement à la diode électroluminescente (102) et reliées électriquement au dispositif (111) de commande de l'alimentation électrique à découpage (110).
11. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la diode électroluminescente (102) comporte en outre, au niveau d'une face de sortie de la lumière, du phosphore apte à modifier la longueur d'onde d'une partie de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente (102).
12. Dispositif émissif lumineux (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le signal périodique est un signal carré.
13. Dispositif (100) d'ajustement d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par une diode électroluminescente (102) comprenant au moins une couche émissive (122, 122.1 - 122.10) apte à former un puits quantique et comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive (122, 122.1 - 122.10), et/ou au moins deux couches émissives (122.1 - 122.10) aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) étant différentes l'une par rapport à l'autre, le dispositif (100) d'ajustement comprenant au moins :
- un dispositif (108) de détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être émise par la diode électroluminescente (102),
- une alimentation électrique à découpage (110) apte à alimenter électriquement la diode électroluminescente (102) par un signal périodique comprenant un rapport cyclique a tel que a e ]θ;ΐ],
- un dispositif (111) de commande de l'alimentation électrique à découpage (110) apte à modifier une valeur crête et le rapport cyclique a du signal périodique respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière destinée à être détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité.
14. Procédé d'ajustement d'une longueur d'onde et d'une intensité d'une lumière destinée à être émise par une diode électroluminescente (102) comprenant au moins une couche émissive (122, 122.1 - 122.10) apte à former un puits quantique et comprenant un semi-conducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In dont la composition atomique varie le long de l'épaisseur de la couche émissive (122, 122.1 - 122.10), et/ou au moins deux couches émissives (122.1 - 122.10) aptes à former deux puits quantiques et comprenant chacune au moins un semiconducteur ternaire ou quaternaire comportant au moins un élément chimique de la colonne 13 du tableau périodique des éléments parmi l'Ai, le Ga et l'In, les compositions atomiques dudit élément chimique dans les couches émissives (122.1 - 122.10) sont différentes l'une par rapport à l'autre, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- détection de la valeur de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière émise par la diode électroluminescente (102),
- ajustement d'une valeur crête et d'un rapport cyclique a tel que a e ]θ;ΐ] d'un signal périodique alimentant électriquement la diode électroluminescente (102), respectivement en fonction des valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière détectées et en fonction de valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité, ces étapes étant répétées de manière itérative jusqu'à ce que les valeurs de la longueur d'onde et de l'intensité de la lumière détectées soient sensiblement égales aux valeurs cibles de la longueur d'onde et de l'intensité.
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