WO2018206767A1 - Dispositif d'émission lumineuse à leds émettant dans le domaine des uvc - Google Patents

Dispositif d'émission lumineuse à leds émettant dans le domaine des uvc Download PDF

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Dounyazade CHABANE SARI
Bernard ORSAL
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Universite de Montpellier
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Universite de Montpellier
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    • Y02P60/14—Measures for saving energy, e.g. in green houses

Definitions

  • the invention relates to a light emitting diode device (or LEDs).
  • the invention is particularly interesting, in particular for stimulating secondary metabolism of plants, stimulating their natural defenses, stimulating plant growth and development, stimulating abiotic stress tolerance mechanisms in plants, chemical decontamination and of water, air and plant surfaces. For such applications, high power densities are required.
  • the invention proposes a novel light emitting device comprising:
  • a confinement device adapted to confine and generate the amplification of the photonic wave.
  • the emission wavelength of the LEDs is less than 270 nm.
  • the luminous power thus emitted is proportional to the spontaneous emission rate of the LED, itself proportional to the power supply current of the LED.
  • the inventors have demonstrated a phenomenon of superluminescence when tested on a plurality of LEDs having an emission wavelength of less than 300 nm and confined within a device adapted to reflect on said LEDs at least a portion of the light power emitted by the LEDs. Specifically, when the supply current increases then the optical power emitted by the LEDs increases.
  • the number of photons present in the Containment device increases and a significant number of these photons is fed by scattering or reflection in the semiconductor cavity constituting the active region of LEDs where they interact with the electron pairs injected by the supply current l a in the active area of LEDS .
  • the re-injected photons will thus reinforce the spontaneous luminous emission of the LEDs by making it possible to reach optical transparency.
  • the spontaneous natural emission then balances the intrinsic optical absorption of the semiconductor material constituting the LEDs.
  • any additional photon will interact with an electronic pair producing the following optoelectronic reaction characteristic of the stimulated emission or superluminescence:
  • the optical gap is equal to
  • the spontaneous emission factor R S p is amplified by the gain G za of the active zone as soon as the optical gain g () is high enough to compensate for the intrinsic absorption of the semiconductor material, that is to say as soon as (g ()> ⁇ ( ⁇ ).
  • the LED or LEDs can be replaced by vertical cavity-emitting laser diodes (UVCSEL).
  • UVCSEL vertical cavity-emitting laser diodes
  • the active zone of the LEDs is made of a semiconductor material of the Aluminum-Galium-Nitride type (Ga x Al x N), x being a real number, preferably between 0.45 and 0.7. .
  • a semiconductor material of the Aluminum-Galium-Nitride type (Ga x Al x N), x being a real number, preferably between 0.45 and 0.7. .
  • Such a material has an emission wavelength in the UVC of between 200 and 300 nm, depending on the value of x. Choosing the value of x optimizes the manufacturing of LEDs or UVCSELs.
  • the aluminum-galium-nitride semiconductor material (Gao, 53Alo, 47N) emits at 265 nm and the energy of the photons emitted by the excited material is of the order of 4.7 eV, thus greater than the optical gap Eg which is of the order of 4.63 eV for a wavelength of 265 nm.
  • the so-called Duraffourg condition is therefore reached for UVC radiation at 265 nm in this material:
  • the confinement device is an integrating sphere or Ulbricht sphere inside which the LED or LEDs are positioned, the confinement device being adapted to reflect at least a part of the light signal on an emission zone of the LEDs.
  • a sphere makes it possible to confine as much as possible the light emitted by the LEDs.
  • the confinement device may comprise a structure comprising an active zone comprising a plurality of semiconductor layers which enclose a confinement cavity also forming an amplifier guide, the confinement device being coupled at the output of the diode to receive the photonic wave emitted by the LED.
  • the confinement device is, for example, a fused optical amplifier (also known as the "tapered amplifier") as will be seen later.
  • a semiconductor amplifier has the advantage of being able to be realized at the same time as the LEDs according to a method known from elsewhere.
  • the power density produced by the amplifier guide is a function of a width of said amplifier guide.
  • a device according to the invention can in particular be used for the treatment of plants by UVC radiation.
  • FIG. 1 is a diagram of a device according to the invention
  • FIGS. 2 to 4 show the results of measurements made on the device of FIG. 1,
  • FIG. 7 is a diagram of another device according to the invention.
  • the invention relates to a light emitting device comprising:
  • a confinement device adapted to confine and amplify the photonic wave.
  • FIG. 1 shows a prototype 10 according to the invention for characterizing the superluminescence process.
  • Twenty LEDs 11 are positioned on an electronic card, connected in ten parallel branches each comprising two LEDs in series.
  • the LEDs are positioned inside an integrating sphere 12 (also called Ulbricht sphere) which homogenizes the optical radiation produced by the LEDs while ensuring the confinement of the optical radiation.
  • the electronic card supporting the LEDs is temperature stabilized by a thermal circuit comprising a Peltier device 13 coupled to a heat dissipation radiator 14.
  • a power supply device comprises a voltage source In series with a housing 16 of ten resistors of 10 ⁇ each supplies the ten branches of LEDs. The ten resistors also measure the current flowing in each branch of LEDs.
  • a photodiode 17 is also positioned inside the integrating sphere.
  • the photodiode delivers on a load resistor 18, here 470 k ⁇ , across which is connected an oscilloscope to view an image of the photocurrent, which is also an image of the light power emitted by the LEDs.
  • the transmitted optical power ⁇ ⁇ ⁇ ) is proportional to the power supply current l a of the LED.
  • This luminescence process is verified on the tested prototype where the photocurrent P h produced by the photodiode is proportional to the supply current l a LEDs when the current is low, here less than 10 mA.
  • FIG. 2 represents the current I P h emitted by the photodiode as a function of the current I ai supplying the first branch of LEDs, in linear scale.
  • FIG. 3 shows the optical power P 0 pt radiated by the LEDs (directly proportional to the current l p h) as a function of the supply current l a i supplying the first branch of LEDs, in logarithmic scale. The linearity of the curve of FIG. 3 clearly shows the exponential evolution of the power P 0 pt radiated by the LEDs as a function of the current they receive.
  • the measurements show that the light power emitted by the LEDs is multiplied by a coefficient of between 3, 5 to 4 according to the branch of LEDs considered.
  • the photocurrent P h increases 1.75 to 2 times faster than the supply current l has LEDs.
  • FIG. 4 which shows the total power emitted by all the LEDs as a function of the supply current in logarithmic scale, this results in a straight line of slope equal to 2.
  • Variations of the prototype of FIG. 1 can be envisaged. 20 LEDs were used for the prototype. However, the number of LEDs is not limited, it is sufficient that there is at least one LED. The dimensions of the confinement device will simply be adapted according to the number of LEDs, so as to have a good concentration of photons around the active area of the LEDs. Also, for the control of the energy density involved in physiological or other tests, an optical sensor must be implemented. In the prototype, a photodiode makes it possible to evaluate the values of the optical powers emitted by the LEDs. The resistor box is only used for measuring purposes and can be removed or replaced, the main thing being to have a suitable power supply for the LEDs. The prototype described above that can be implemented in UVC lamps (wavelength less than 300 nm) with first generation LEDs is relatively bulky. It is therefore unsuitable for applications where a portable system and / or light is sought, for example for the treatment of plants on site.
  • UVC optical chip for example, a vertical emission laser diode (UVCSEL) structure and an amplifier guide laser.
  • FIG. 5 shows the diode structure in vertical section
  • FIG. 6 shows the amplifier guide laser in vertical section
  • FIG. 5 shows the diode structure in vertical section
  • FIGS. 5-7 show the combination of the diode structure and the amplifier guide laser.
  • the diagrams in FIGS. 5-7 correspond to structures emitting at a wavelength of 265 nm, but other schemes can be envisaged, in particular with wavelengths between 200 and 400 nm, to take into account, depending on the applications envisaged, desired parameters such as the light power density (Watt / m 2 or Watt / cm 2 ) emitted at a given instant, the dose (ie the total amount of power emitted during a given time, in Joule / m 2 ), the exposure time or the repetition frequency (in the case of the emission of pulsed light).
  • the light power density Watt / m 2 or Watt / cm 2
  • the dose ie the total amount of power emitted during a given time, in Joule / m 2
  • the exposure time or the repetition frequency in the case of the emission of pulsed light.
  • an exposure time of between 100 ⁇ and 1 s and / or a frequency of between 0.1 Hz and 10 4 Hz and / or a power density of the order of a few Watt / cm 2 can be interesting.
  • the structures shown in FIGS. 5-7 each comprise a multilayer stack made of GaN material, AIN material or Ga x Al x N material, the Ga x Al x N material layers being of different Aluminum (0 ⁇ X ⁇ 1) and different dopings.
  • FIG. 5 is a characteristic structure of a 265nm surface-emitting laser diode or LED (DL) called UVCSEL.
  • the diode comprises an active emission zone 51 consisting of 5 to 7 metallic quantum wells (or MQWs for Metallic Quantum Well) stacked, each quantum well being composed here of a layer of Alo, 55Gao, 4sN and a layer of Alo, 7oGao, 3oN.
  • containment layers 52a, 52b On both sides of the active zone are placed containment layers 52a, 52b.
  • ring-shaped oxide layers 53a, 53b On either side of the confinement layers are positioned ring-shaped oxide layers 53a, 53b (more precisely, a layer having a rectangular or square outer perimeter, and a disc-shaped central recess).
  • the contacts P (+) and N 55b allow power supply of the structure.
  • the contact P (in GaN) has a crown shape (more precisely, a layer having a rectangular or square outer perimeter, and a central recess in the form of a rectangle or a square here) to allow the wave to pass through its center. photonic emitted.
  • the oxide layers form a mask blocking the passage of the electric supply current on the lateral zones of the structure and thus limit the current entering the active zone.
  • the electrons and holes can only circulate in the center of the structure and are injected into the confinement layers to recombine in the active emission zone which is a quantum multiwell layer.
  • the use of quantum wells in the active zone 51 makes it possible to increase the spontaneous emission rate Rsp and the optical gain of the active zone. Thus the transparency is reached much earlier because the Durrafourg condition is much easier to obtain than in an active zone structure without a quantum well. This makes it possible to have a greater optical gain and to lower the threshold current required to obtain superluminescence.
  • the confinement layers favor the confinement of pairs (electron-holes) in the active zone, which facilitates radiative recombinations. pairs by increasing the internal quantum efficiency.
  • the P-side and N-side doped Bragg mirrors provide optical confinement of photons (of the photonic wave) to promote pair recombination while maintaining phase coherence.
  • the mirrors consist of a stack of alternating AIN or GaN material layers, the number of layers depending in particular on the desired reflection coefficient.
  • the mirror 54b, N side has a reflection coefficient equal to 1, to fully reflect the photons towards the confinement layers and the active area.
  • the mirror 54a, side P has meanwhile a lower reflection coefficient of the order of 0.3, to let part of the photons produced in the active area and thus emit the optical power.
  • the oxide mask layers 53a, 53b
  • FIG. 6 is an amplifier structure 60 with wafer emission which also consists of a multilayer stack made of GaN material, AIN material or Ga x Al x N material, the Ga x Al x N material layers. being of different compositions in Aluminum (0 ⁇ X ⁇ 1) and of different dopings.
  • the amplifying structure 60 comprises the following layers, in order from a substrate N:
  • a buffer 66 of AIN material also,
  • An emission active zone 61 consisting of 5 to 7 metal quantum wells (or MQWs for Metallic Quantum Well) stacked, each quantum well being composed here of a layer of Alo, 55Gao, 45N and of a layer of Alo, 7oGao, 3The,
  • the amplifying structure is a live polarized junction (PIN).
  • the injection of the current into the structure is carried out by the contacts N and P.
  • the blocking layer EBL 62 retains and traps the electrons in the active zone to participate in the radiative recombinations as for the surface emission laser diode (UVCSEL) .
  • UVCSEL surface emission laser diode
  • the EBL layer and the N contact layer also have a lower refractive index than the active layer, they will also participate in maintaining the optical wave in the active photon emission zone.
  • any optical wave which originates in the active zone with quantum wells or which is injected by the diode 50 from the end will be able to be guided and amplified throughout its propagation in this amplifying medium of length L provided that the condition of Durrafourg (relation 4) is verified.
  • the optical power will increase exponentially throughout the propagation of the optical wave in the Active Zone of length L (relation 3 mentioned above):
  • the dimensions of the amplifier guide 60 in FIG. 7 may be as follows:
  • the bibliographic research gives 50 cm -1 ⁇ ( ⁇ ) ⁇ 100 cm -1 for the intrinsic absorption coefficient of an active zone comprising 5 to 7 quantum wells made according to the technology known today in the field of growth technology.
  • the semiconductor material Ga x Al x N plays a key role in the value of the absorption coefficient of the active zone.
  • the prototype of Figure 1 already gives great performance in terms of optical power.
  • the implementation of a structure such as those of FIGS. 5-7, with an amplifying cavity capable of generating additional optical gain (which is not the case with the integral sphere of the prototype of FIG. much better performance, especially in terms of optical power.
  • the expected optical gain of a structure according to Figure 7 is of the order of 100 to 10,000, which will obtain optical power output of 0.1 to 10 Watt / cm 2 .

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Abstract

Un dispositif d'émission lumineuse comprenant : • une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde À d'émission inférieure à 270 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde λ d'émission supérieure à un gap optique Eg = h.c/X, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LEDs, et • un dispositif de confinement adapté pour confiner et amplifier l'onde photonique.

Description

Dispositif d'émission lumineuse à LEDs émettant dans le domaine des UVC
Domaine technique et état de l'art
L'invention concerne un dispositif d'émission lumineuse à diodes électroluminescentes (ou LEDs). L'invention est particulièrement intéressante notamment pour la stimulation du métabolisme secondaire des plantes, la stimulation de leurs défenses naturelles, la stimulation de la croissance et du développement des végétaux, la stimulation des mécanismes de tolérance aux stress abiotiques des plantes, la décontamination chimique et biologique de l'eau, de l'air et des surfaces des végétaux. Pour de telles applications, de fortes densités de puissance sont requises. Or, il n'existe pas aujourd'hui de dispositif simple et peu onéreux à base de LEDs adapté pour produire, dans le domaine des ultraviolets UVC, une puissance lumineuse suffisante pour de telles applications.
Description de l'invention
L'invention propose un nouveau dispositif d'émission lumineuse comprenant :
• une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde λ d'émission inférieure à 300 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde λ d'émission supérieure à un gap optique Eg, où Eg = h.c/λ, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et
• un dispositif de confinement adapté pour confiner et générer l'amplification de l'onde photonique.
De préférence, la longueur d'onde d'émission des LEDs est inférieure à 270 nm.
Classiquement, lorsqu'une LED est alimentée par un courant d'alimentation, des paires électroniques électron/trou sont injectées dans la cavité semiconductrice constituant la zone active de la LED et se recombinent spontanément en émettant un photon selon la relation :
(le+ + le-) -> 1 hvsp (1)
La puissance lumineuse ainsi émise est proportionnelle au taux d'émission spontané de la LED, lui-même proportionnel au courant d'alimentation de la LED. De manière fortuite, les inventeurs ont mis en évidence un phénomène de superluminescence lors d'essais sur une pluralité de LEDs ayant une longueur d'onde d'émission inférieure à 300 nm et confinées à l'intérieur d'un dispositif adapté pour réfléchir sur lesdites LEDs au moins une partie de la puissance lumineuse émise par les LEDs. Plus précisément, lorsque le courant d'alimentation l a augmente alors la puissance optique émise par les LEDs augmente. En conséquence, le nombre de photons présents dans le dispositif de confinement augmente et un nombre non négligeable de ces photons est réinjecté par rétrodiffusion ou réflexion dans la cavité semiconductrice constituant la zone active des LEDs où ils interagissent avec les paires électroniques injectées par le courant d'alimentation l a dans la zone active des LEDS . Les photons réinjectés vont ainsi renforcer l'émission lumineuse spontanée des LEDs en permettant d'atteindre la transparence optique. L'émission spontanée naturelle équilibre alors l'absorption optique intrinsèque du matériau semiconducteur constituant les LEDs. Alors tout photon supplémentaire va interagir avec une paire électronique en produisant la réaction optoélectronique suivante caractéristique de l'émission stimulée ou superluminescence :
(le+ + le") + 1 hvsp -> 2 hvsp (2) Par la suite, une réaction en chaîne va se produire. Les photons stimulent la recombinaison des paires électroniques (le+ + le-) injectées par le courant et contribuent à leur multiplication par un phénomène d'avalanche qui croît de façon exponentielle avec le courant d'alimentation l a des LEDs. Cet effet est appelé émission spontanée amplifiée ou superluminescence.
Cette amplification de l'émission spontanée des LEDs est rendue possible par le fait que l'écart entre le niveau de Fermi des électrons Efc et le niveau de Fermi des trous Efv est supérieur ou égal à la largeur de bande interdite du matériau semiconducteur constituant la zone active des LEDs pour produire des photons dont l'énergie E = hvSp est supérieure ou égale à la largeur de bande interdite ou gap optique.
Cette condition est dite de Duraffourg. Pour un matériau émettant dans les UVC, c'est-à-dire un matériau dont la longueur d'onde λ d'émission est inférieure à 300 nm, le gap optique est égal à Eg = h.c/λ = 4,13 eV selon la relation de Planck-Einstein, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière.
Pour un matériau dont la longueur d'onde λ d'émission est inférieure à 270 nm, le gap optique est égal à
Eg = h.cA = 4,6 eV
Lorsque la condition de Duraffourg est atteinte, l'émission spontanée du matériau devient égale ou légèrement supérieure à son absorption intrinsèque, la population de photons augmente alors très vite avec le courant. C'est la condition nécessaire pour que la probabilité que les photons interagissent avec les paires électron/trou injectées par le courant tende vers 1. Ainsi le nombre de photons va croître de façon exponentielle dans la zone active des LEDs sans réflexion d'extrémité et dans le milieu délimité par le dispositif de confinement selon un processus d'avalanche photonique, décrit par la relation suivante :
Popt (λ) = (h.cA) .[7Î(À)/c] .RSp.Gza, avec Gza = {(exp[(g(À)-a(À)).L]-l)/(g(À)-a(À))} (3) où h représente la constante de Planck, λ la longueur d'onde d'émission des LEDs, L la longueur de la zone active des LEDs, α(λ) le coefficient d'absorption intrinsèque du milieu propre à la zone active, RSp est le facteur d'émission spontanée spécifique du semiconducteur constituant la zone active des LEDs. g( ) est le gain modal du milieu, il augmente proportionnellement au courant électrique injecté dans la zone active de la LED. Le terme π{λ)/ε définit quant à lui la taille du mode guidé dans la zone active des LEDs.
Le facteur d'émission spontanée RSp est amplifié par le gain Gza de la zone active dès que le gain optique g( ) est suffisamment élevé pour compenser l'absorption intrinsèque du matériau semiconducteur, c'est- à-dire dès que (g( ) > α(λ).
Selon un mode de réalisation, la ou les LEDs peuvent être remplacées par des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (UVCSEL). Ces structures émettent un faisceau optique plus directif que les LEDs classiques ou les lasers à émission latérale par la tranche. Ainsi le couplage est meilleur et les pertes optiques beaucoup plus faibles.
Selon un mode de réalisation, la zone active des LEDs est réalisée dans un matériau semiconducteur de type Aluminium-Galium-nitride (GaxAli-xN), x étant un nombre réel, de préférence compris entre 0,45 et 0,7. Un tel matériau a une longueur d'onde d'émission dans les UVC comprise entre 200 et 300 nm, selon la valeur de x. Le choix de la valeur de x permet d'optimiser la fabrication des LEDs ou des UVCSEL.s. Dans un exemple, avec x = 0,53, le matériau semiconducteur Aluminium-Galium-nitride (Gao,53Alo,47N) émet à 265 nm et l'énergie des photons émis par le matériau excité est de l'ordre de 4,7 eV, supérieure donc au gap optique Eg qui est de l'ordre de 4,63 eV pour une longueur d'onde de 265 nm. La condition dite de Duraffourg est donc atteinte pour le rayonnement UVC à 265 nm dans ce matériau :
Efc-Efv = hvsp > Eg (4) Selon un mode de réalisation, le dispositif de confinement est une sphère intégrante ou sphère d'Ulbricht à l'intérieur de laquelle la ou les LEDs sont positionnées, le dispositif de confinement étant adapté pour réfléchir au moins une partie du signal lumineux sur une zone d'émission des LEDs. Une telle sphère permet de confiner au maximum la lumière émise par les LEDs.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de confinement peut comprendre une structure comprenant une zone active comprenant une pluralité de couches de semi-conducteurs qui enferme une cavité de confinement formant également un guide amplificateur, le dispositif de confinement étant couplé en sortie de la diode pour recevoir l'onde photonique émise par la LED. Le dispositif de confinement est par exemple un amplificateur optique fuselé (également connu sous l'expression anglo- saxonne « tapered amplifier ») comme on le verra mieux plus loin. Un tel amplificateur semiconducteur présente l'avantage de pouvoir être réalisé en même temps que les LEDs selon un procédé connu par ailleurs. La densité de puissance produite par le guide amplificateur est fonction d'une largeur du dit guide amplificateur.
Un dispositif selon l'invention peut notamment être utilisé pour le traitement des plantes par rayonnement UVC.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit d'exemples de mise en œuvre d'un dispositif d'émission lumineuse selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :
• la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention
• les figures 2 à 4 montrent des résultats de mesures réalisées sur le dispositif de la figure 1,
• la figure 7 est un schéma d'un autre dispositif selon l'invention et
• les figures 5 et 6 détaillent les éléments de la figure 7.
Description d'un mode de réalisation de l'invention
Comme dit précédemment, l'invention concerne un dispositif d'émission lumineuse comprenant :
• une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde λ d'émission inférieure à 300 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde λ supérieure à un gap optique Eg = h.c/λ, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et
• un dispositif de confinement adapté pour confiner et amplifier l'onde photonique.
La figure 1 montre un prototype 10 selon l'invention permettant de caractériser le processus de superluminescence. Vingt LEDs 11 sont positionnées sur une carte électronique, connectées en dix branches parallèles comprenant chacune deux LEDs en série. Les LEDs sont réalisées dans un matériau semiconducteur de type GaxAli-xN, avec x = 0,53 . Les LEDs sont positionnées à l'intérieur d'une sphère intégrante 12 (encore appelée sphère d'Ulbricht) qui homogénéise le rayonnement optique produit par les LEDs tout en assurant le confinement du rayonnement optique. La carte électronique supportant les LEDs est stabilisée en température par un circuit thermique comprenant un dispositif Peltier 13 couplé à un radiateur 14 de dissipation thermique. Un dispositif d'alimentation comprend une source de tension 15 en série avec un boîtier 16 de dix résistances de 10 Ω chacune alimente les dix branches de LEDs. Les dix résistances permettent également de mesurer le courant circulant dans chaque branche de LEDs.
Pour la mesure de la puissance lumineuse émise par les LEDs, une photodiode 17 est également positionnée à l'intérieur de la sphère intégrante. Lorsqu'elle est éclairée, la photodiode en régime linéaire produit un photocourant lph directement proportionnel à la puissance lumineuse qu'elle reçoit à travers sa surface active ; à l'intérieur de la sphère intégrante, la puissance reçue sur la surface active de la photodiode étant égale à la puissance optique rayonnée par les LEDs multipliée par le rapport entre la surface active de la photodiode et la surface intérieure de la sphère intégrante, le photocourant I ph(A.) émis par la photodiode est donc directement proportionnel à la puissance lumineuse rayonnée par les LEDs, et plus précisément ici avec la photodiode choisie : lph = S(À)*PoptM (5), avec S = 0,1 A/W, Ιρή(λ) étant mesuré en Ampère (A).
Par commodité pour la mesure, la photodiode débite sur une résistance 18 de charge, ici de 470 kQ, aux bornes de laquelle est branché un oscilloscope pour visualiser une image du photocourant, qui est également une image de la puissance lumineuse émise par les LEDs.
Des mesures sur le prototype décrit ci-dessus ont permis d'obtenir les résultats suivants.
De manière connue, lorsqu'une LED émet de la lumière, la puissance optique émise Ρορ^λ) est proportionnelle au courant d'alimentation la de la LED. Ce processus de luminescence est vérifié sur le prototype testé où le photocourant lPh produit par la photodiode est proportionnel au courant d'alimentation la des LEDs lorsque le courant est faible, ici inférieur à 10 mA.
Lorsque le courant d'alimentation la des diodes augmente, les résultats montrent que le photocourant lph augmente plus vite que le courant d'alimentation des LEDs.
La figure 2 représente le courant lPh émis par la photodiode en fonction du courant I ai alimentant la première branche de LEDs, en échelle linéaire. La figure 3 présente la puissance optique P0pt rayonnée par les LEDs (directement proportionnelle au courant l ph) en fonction du courant d'alimentation lai alimentant la première branche de LEDs, en échelle logarithmique. La linéarité de la courbe de la figure 3 met clairement en évidence l'évolution exponentielle de la puissance P0pt rayonnée par les LEDs en fonction du courant qu'elles reçoivent. Plus précisément, si on double le courant d'alimentation l a dans une branche de LEDs, par exemple si la varie de 40mA à 80mA, les mesures montrent que la puissance lumineuse émise par les LEDs est multipliée par un coefficient compris entre 3,5 à 4 selon la branche de LEDs considérée. Dit autrement, le photocourant l Ph augmente 1,75 à 2 fois plus vite que le courant d'alimentation la des LEDs. Sur la figure 4, qui montre la puissance totale émise par l'ensemble des LEDs en fonction du courant d'alimentation en échelle logarithmique, ceci se traduit par une droite de pente égale à 2. Le prototype détaillé ci-dessus, n'est bien sûr qu'un exemple d'un mode de mise en œuvre de l'invention, construit essentiellement pour mettre en évidence le phénomène de superluminescence.
Des variantes du prototype de la figure 1 peuvent être envisagés. 20 LEDs ont été utilisées pour le prototype. Toutefois, le nombre de LEDs n'est pas limité, il suffit qu'il y ait au moins une LED. On adaptera simplement les dimensions du dispositif de confinement en fonction du nombre de LEDs, de sorte à avoir une bonne concentration de photons autour de la zone active des LEDs. Egalement, pour le contrôle de la densité d'énergie mise en jeu lors d'essais physiologiques ou autres, un capteur optique doit être mis en œuvre. Dans le prototype, une photodiode permet d'évaluer les valeurs des puissances optiques émises par les LEDs. Le boîtier de résistances quant à lui est utilisé uniquement à des fins de mesure et peut être supprimé ou remplacé, l'essentiel étant d'avoir une alimentation adaptée pour les LEDs. Le prototype décrit ci-dessus susceptible d'être mis en œuvre dans des lampes UVC (longueur d'ondes inférieure à 300 nm) à LEDs de première génération est relativement encombrant. Il est donc peu adapté pour des applications où un système portable et / ou léger est recherché, par exemple pour le traitement de plantes sur site.
Ainsi, d'autres dispositifs selon l'invention utilisant le principe mis en œuvre par le prototype décrit ci- dessus peuvent être envisagés, par exemple des dispositifs à base de diodes laser et de guide amplificateur optique (toujours avec λ < 300 nm) peuvent être utilisés pour réaliser des lampes portables et légères qui tiennent dans la main d'un opérateur. Une telle lampe peut comprendre une puce optique UVC selon l'invention, un capteur de contrôle, une électronique de commande et une batterie (par ex. Li- lon). Un exemple de puce optique UVC appropriée pour une telle application est décrit ci-dessous, en lien avec les figures 5 à 7. La puce optique comprend une structure de diode laser à émission verticale (UVCSEL) et un laser guide amplificateur. La figure 5 présente la structure de diode en coupe verticale, la figure 6 présente le laser guide amplificateur en coupe verticale et la figure 7 présente la combinaison de la structure de diode et du laser guide amplificateur. Les schémas des figures 5-7 correspondent à des structures émettant à une longueur d'onde de 265 nm, mais d'autres schémas peuvent être envisagés notamment avec des longueurs d'onde comprises entre 200 et 400 nm, pour tenir compte, selon les applications envisagées, de paramètres souhaités tels que la densité de puissance (Watt/m2 ou Watt/cm2) lumineuse émise à un instant donné, la dose (c'est à dire la quantité totale de puissance émise pendant un temps donné, en Joule/m2), le temps d'exposition ou la fréquence de répétition (dans le cas de l'émission d'une lumière puisée) . Ainsi, par exemple pour le traitement de plantes, un temps d'exposition compris entre 100 μηη et 1 s et / ou une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 104 Hz et / ou une densité de puissance de l'ordre de quelques Watt/cm2 peuvent être intéressants.
Les structures représentées sur les figures 5-7 comprennent chacune un empilement plusieurs couches en matériau GaN, en matériau AIN ou en matériau GaxAli-xN, les couches en matériau GaxAli-xN étant de compositions différentes en Aluminium (0 < X < 1) et de différents dopages.
La figure 5 est une structure caractéristique d'une LED ou d'une diode Laser (DL) à émission par la surface à 265nm dénommée UVCSEL. La diode comprend une zone active d'émission 51 constituée de 5 à 7 puits quantiques métalliques (ou MQW pour Metallic Quantum Well) empilés, chaque puits quantique étant composé ici d'une couche de Alo,55Gao,4sN et d'une couche de Alo,7oGao,3oN . De part et d'autre de la zone active sont positionnées des couches de confinement 52a, 52b. De part est d'autre des couches de confinement sont positionnées des couches d'oxyde 53a, 53b en forme de couronne (plus précisément, couche ayant un périmètre extérieur rectangulaire ou carré, et un évidement central en forme de disque). De part et d'autre des couches d'oxyde sont positionnés des miroirs de Bragg 54a, 54b, en forme de disque. Enfin, de part et d'autre des miroirs de Bragg sont positionnés respectivement un contact P (+) et un contact N (-). Les contacts P 55a et N 55b permettent l'alimentation en courant de la structure. Le contact P (en GaN) a quant à lui une forme de couronne (plus précisément, couche ayant un périmètre extérieur rectangulaire ou carré, et un évidement central en forme de rectangle ou de carré ici) pour laisser passer en son centre l'onde photonique émise.
De par leur forme en couronne, les couches d'oxyde forment un masque bloquant le passage du courant électrique d'alimentation sur les zones latérales de la structure et limitent ainsi le courant entrant dans la zone active. Les électrons et les trous ne peuvent circuler qu'au centre de la structure et sont injectés dans les couches de confinement pour se recombiner dans la zone active d'émission qui est une couche à multi puits quantique. L'utilisation de puits quantiques dans la zone active 51 permet d'augmenter le taux Rsp d'émission spontanée et le gain optique de la zone active. Ainsi la transparence est atteinte beaucoup plus tôt car la condition de Durrafourg est beaucoup plus facile à obtenir que dans une structure à zone active sans puits quantique. Ceci permet d'avoir un gain optique plus important et d'abaisser le courant de seuil nécessaire à l'obtention de la superluminescence. Les couches de confinement favorisent le confinement des paires (électrons - trous) dans la zone active ce qui facilite les recombinaisons radiatives des paires en augmentant le rendement quantique interne. Les miroirs de Bragg dopés côté P et côté N de la structure assurent le confinement optique des photons (de l'onde photonique) pour favoriser la recombinaison des paires tout en maintenant la cohérence de phase. Les miroirs sont constitués d'un empilement de couches en matériau AIN ou GaN en alternance, le nombre de couche étant fonction notamment du coefficient de réflexion souhaité. Le miroir 54b, côté N a un coefficient de réflexion égal à 1, pour réfléchir totalement les photons en direction des couches de confinement et de la zone active. Le miroir 54a, côté P a quant à lui un coefficient de réflexion plus faible de l'ordre de 0,3, pour laisser passer une partie des photons produits dans la zone active et ainsi émettre la puissance optique. En complément, Grâce à la présence du masque d'oxyde (couches 53a, 53b), l'émission du mode fondamental longitudinal est favorisée selon la direction verticale et on évite toute amplification transversale car le gain reste inférieur à l'absorption intrinsèque du matériau.
La figure 6 est une structure amplificatrice 60 à émission par la tranche qui se compose aussi d'un empilement plusieurs couches en matériau GaN, en matériau AIN ou en matériau GaxAli-xN, les couches en matériau GaxAli-xN étant de compositions différentes en Aluminium (0 < X < 1) et de différents dopages.
La structure amplificatrice 60 comprend les couches suivantes, dans l'ordre à partir d'un substrat N :
• un substrat 65 en matériau AIN,
• un buffer 66 en matériau AIN également,
• une couche de contact N 67, en matériau GaxAli-xN,
· une zone active d'émission 61 constituée de 5 à 7 puits quantiques métalliques (ou MQW pour Metallic Quantum Well) empilés, chaque puits quantique étant composé ici d'une couche de Alo,55Gao,45N et d'une couche de Alo,7oGao,3oN,
• une couche de blocage 62 EBL (Electron Blocking Layer) en matériau Alo,8oGao,2oN, et
• une couche de contact P 63 en matériau GaN, un ruban 64 (fig.7) permettant l'alimentation en courant du contact P.
La structure amplificatrice est une jonction (P I N) polarisée en direct. L'injection du courant dans la structure est réalisée par les contacts N et P. La couche de blocage EBL 62 retient et piège les électrons dans la zone active pour participer aux recombinaisons radiatives comme pour la diode laser à émission par la surface (UVCSEL). Comme la couche EBL et la couche de contact N possèdent aussi un indice de réfraction plus faible que la couche active, elles vont aussi participer au maintien de l'onde optique dans la zone active d'émission des photons. Ainsi toute onde optique qui prend naissance dans la zone active à puits quantiques ou qui est injectée par la diode 50 depuis l'extrémité va pouvoir être guidée et amplifiée tout au long de sa propagation dans ce milieu amplificateur de longueur L pourvue que la condition de Durrafourg (relation 4) soit vérifiée. Dès lors la puissance optique va s'accroître de façon exponentielle tout au long de la propagation de l'onde optique dans la zone Active de longueur L (relation 3 citée précédemment) :
Popt (λ) = (h.cA).[7t(À)/c].RSp. {(θχρ[( (λ)-α(λ)) ]-1)/(§(λ)-α(λ))} (3) Le contrôle de la puissance optique émise par la structure amplificatrice sera obtenu en agissant sur le courant d'alimentation la appliqué au guide amplificateur. Le courant la fait croître linéairement le taux d'émission spontanée Rsp et le gain optique g( ). Il est évident que gain optique g( ) doit être supérieur au coefficient d'absorption intrinsèque α(λ) du milieu actif pour que la puissance optique de l'onde issue de la source puisse être amplifiée tout au long de sa propagation dans la zone active du guide amplificateur 60 et que la densité de puissance optique souhaitée (par ex. le traitement de plantes) pour l'application envisagée puisse être atteinte.
Les dimensions du guide amplificateur 60 sur la figure 7 pourront être les suivantes :
Figure imgf000011_0001
Le dispositif actif laser (UVCSEL + guide amplificateur) est ainsi très compact puisqu'il peut être contenu dans un volume de 2 cm3. Il faut toutefoa ajouter le volume du refroidisseur et de la partie électronique de commande soit 30 cm3 = (3 cm2 X 10 cm) .
Les recherches bibliographiques donnent 50 cm-1 < α(λ) < 100 cm-1 pour le coefficient d'absorption intrinsèque d'une zone active comprenant 5 à 7 puits quantiques réalisée selon la technologie connue aujourd'hui alité de la technologie de croissance du matériau semi conducteur GaxAli-xN joue un rôle primordial dans la valeur du coefficient d'absorption de la zone active. Plus la qualité du matériau de la zone active est bonne (ici MQW), plus α(λ) sera faible et plus la puissance optique sera grande pour une même valeur du courant la. Ceci revient à baisser le seuil du courant ls à partir duquel l'amplification optique s'installe dans la zone active.
Le prototype de la figure 1 donne déjà de belles performances en terme de puissance optique. La mise en œuvre d'une structure telle que celles des figures 5-7, avec une cavité amplificatrice capable de générer un gain optique additionnel (ce qui n'est pas le cas de la sphère intégrante du prototype de la figure 1) permettra des performances bien supérieures, notamment en termes de puissance optique. A titre indicatif, le gain optique attendu d'une structure selon la figure 7 est de l'ordre de 100 à 10 000, ce qui permettra d'obtenir une puissance optique en sortie de 0,1 à 10 Watt / cm2.
D'autre part, grâce à la superluminescence du guide amplificateur, il est possible de générer de la lumière puisée soit en modulant le courant de la source UVCSEL, soit en modulant le gain de la Zone Active du guide amplificateur.
Pour une application telle que le traitement des végétaux, Afin d'éviter de détruire les végétaux qui doivent être traités il conviendra d'adapter la forme du guide amplificateur optique aux surfaces à traiter avec une densité de puissance optique réglable soit par le courant d'alimentation pilote du guide amplificateur ou par celui du laser UVCSEL Les propriétés du matériau GaN/GaAIN /AIN, associées aux résultats obtenus avec le prototype de la figure 1 et des propriétés d'une structure telle que celle des figures 5-7 permettront d'atteindre des densités de puissance en impulsion de l'ordre de 0,5W rayonnée sur 1 cm2 (soit 5 KW/m2 ). Cela permet d'envisager la réalisation d'un instrument portatif, par exemple un instrument ayant les dimensions d'un stylo, équipé d'une tête optique émettant quelques W/cm2 dans le domaine des UVC, par ex. 265 nm. Un tel instrument serait facilement manipulable à la main et particulièrement pratique, par exemple sur site pour le traitement des maladies sur les feuilles des végétaux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'émission lumineuse comprenant :
• une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde λ d'émission inférieure à 270 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde λ d'émission supérieure à un gap optique Eg égal à Eg = h.c/λ, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et
• un dispositif de confinement adapté pour confiner et amplifier l'onde photonique.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la ou les LEDs sont des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (UVCSEL).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la zone active des LEDs est réalisée dans un matériau semiconducteur de type Aluminium-Galium-nitride (GaxAli-xN), x étant un nombre réel.
4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel dans lequel x est compris entre 0,45 et 0,7, et de préférence x = 0,53.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le dispositif de confinement est une sphère intégrante ou sphère d'Ulbricht à l'intérieur de laquelle la ou les LEDs sont positionnées, le dispositif de confinement étant adapté pour réfléchir au moins une partie du signal lumineux sur une zone d'émission des LEDs.
6. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 5 dans lequel le dispositif de confinement comprend une zone active comprenant une pluralité de couches de semi-conducteurs qui enferme une cavité de confinement formant également un guide amplificateur, le dispositif de confinement étant couplé en sortie de la diode pour recevoir l'onde photonique émise par la LED.
7. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de confinement est un amplificateur optique fuselé (tapered amplifier).
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 7 dans lequel la densité de puissance produite par le guide amplificateur est fonction d'une largeur du dit guide amplificateur.
9. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour le traitement des plantes par rayonnement UVC.
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