WO2023247456A1 - Elément émetteur de lumière à générateur d'onde stationnaire et dispositif optoélectronique associé - Google Patents

Elément émetteur de lumière à générateur d'onde stationnaire et dispositif optoélectronique associé Download PDF

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WO2023247456A1
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photonic crystal
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light emitting
element according
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Mehdi DAANOUNE
Tiphaine Dupont
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Aledia
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    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • each pixel comprises several sub-pixels, each sub-pixel being configured to emit a specific color, so the color emitted by the pixel can be changed by controlling which sub-pixel(s) is (are) activated or by modifying the electrical current applied to each sub-pixel in order to modify the relative emission intensity of each sub-pixel.
  • Quantum dots are common examples of converters used in these conversion modules. Quantum dots are often inserted into a matrix.
  • a first way to increase this number of quantum dots is to increase the concentration of quantum dots in the matrix. This proposal comes up against the fact that too high concentrations lead to losses of mechanical properties of the matrix, making it incompatible with the techniques used in the manufacture of the pixel.
  • a second way to increase the number of quantum dots is to increase the size of the matrix and in particular its thickness.
  • the description describes a light emitting element comprising a conversion material capable of converting a first radiation in a first spectral band into a second radiation in a second spectral band, the second spectral band being distinct from the first spectral band.
  • the light emitting element further comprises a standing wave generator in the first spectral band, the standing wave generator comprising a two-dimensional photonic crystal adapted to generate a standing wave in the first band spectral, the photonic crystal being formed at least in part by light-emitting diodes adapted to emit in the first spectral band.
  • the nanowires forming the electroluminescent source are part of the photonic crystal and are used to partially produce it. More precisely, the photonic crystal here is the combination of a medium and nanowires.
  • the photonic crystal presents a different role since it serves to generate a standing wave generated efficiently thanks to the previous difference in structure.
  • the photonic crystal is formed solely by light-emitting diodes and a medium surrounding the light-emitting diodes.
  • the light-emitting diodes comprise an active layer, at least one active layer being included in the photonic crystal. This allows efficient injection of light into the photonic crystal to form the standing wave.
  • the photonic crystal is formed in part from each active layer of the light-emitting diodes.
  • the photonic crystal includes all of each light-emitting diode.
  • the light-emitting diodes are in a medium, said medium being the conversion material. This allows the light emitting element to be reduced.
  • the conversion material is based on the photonic crystal. This facilitates the manufacture of the light emitting element.
  • the photonic crystal has several band gaps, the photonic crystal having a pitch and a filling factor adapted to cause the light-emitting diodes to emit on the band edge of the first band gap at 90°. This increases the probability of absorption of photons in the first spectral band by the conversion material.
  • the photonic crystal has several forbidden bands, the photonic crystal having a pitch and a filling factor adapted to cause the light-emitting diodes to emit on the band edge of a band forbidden at 90° different from the first forbidden band. This makes it possible to obtain a better efficiency of the light emitting element by increasing the directionality of the converted radiation.
  • the pitch and the filling factor of the photonic crystal are also adapted to cause the conversion material to emit on the band edge of a band gap at 0°, the band gap in which the conversion material emits being lower than the band prohibited in which light-emitting diodes emit. This achieves perpendicular and more precise directional emission for the photonic crystal, resulting in better performance of the light emitting element.
  • the photonic crystal is surrounded by walls forming a cavity, at least one of the walls being made of a material chosen from the list consisting of a transparent conductive oxide such as indium tin oxide or a doped zinc oxide gallium or aluminum, a metal such as Ag or AI, graphene and a combination of these elements.
  • a transparent conductive oxide such as indium tin oxide or a doped zinc oxide gallium or aluminum
  • a metal such as Ag or AI
  • graphene graphene and a combination of these elements.
  • the conversion material is a polymer matrix comprising quantum dots. This facilitates the manufacture of the light emitting element.
  • the description also relates to a light emitting element comprising light-emitting diodes adapted to emit in a spectral band and comprising an active layer and a two-dimensional photonic crystal formed of at least one medium and active layers of the light-emitting diodes, the crystal being adapted to generate a standing wave in the spectral band.
  • the description proposes a light emitting element comprising a two-dimensional photonic crystal adapted to generate a standing wave, the photonic crystal comprising the emitting sources of the light emitting element.
  • the description also describes an optoelectronic electronic device comprising at least one light emitting element as previously described.
  • FIG. 1 is a schematic representation in cross section of an example of pixel
  • FIG. 2 is a schematic representation of a band diagram illustrating an example of operation of the pixel of Figure 1
  • FIG. 3 is a schematic representation of the radiation emitted by certain elements of the pixel in the context of the operation of Figure 2,
  • FIG. 4 is a schematic representation in cross section of another example of pixel
  • FIG. 5 is a schematic representation of a band diagram illustrating another example of operation of the pixel of Figure 1,
  • FIG. 6 is a schematic representation of the radiation emitted by certain elements of the pixel as part of the operation of the figure.
  • FIG. 7 is a schematic top view of yet another example of a pixel.
  • red pixel 10 it is proposed with reference to Figure 1 to consider the case of a red sub-pixel 10, simply called red pixel 10 in the following for simplicity.
  • the nanowires 12 extend mainly in a longitudinal direction Z.
  • the transverse directions are respectively called first transverse direction X and second transverse direction Y.
  • the position of the two forbidden bands B1 and B2 is determined by the pitch a of the photonic crystal 26, the diameter of the nanowires 12, the indices of the materials of the nanowires 12 and of the conversion material 14 as well as the total thickness of the photonic crystal 26.
  • One of the two walls 28 and 30 is a wall allowing the extraction of light while the other wall is a reflecting wall.
  • the Purcell effect causes the spontaneous photon emission rate to increase for a material in a resonant cavity compared to a material that is not in a resonant cavity. This implies that nanowires 12 emit more photons in the transverse XY plane.
  • the Purcell effect thus results in angular and wavelength selection.
  • the elementary cell and the pitch of the photonic crystal 26 correspond to the arrangement of the nanowires 12 while the filling factor is the ratio between the surface occupied by the nanowires 12 and the total surface of the photonic crystal 26 and as such depends on the size of the nanowires 12 and more precisely here their diameter.
  • the applicant carried out a test with a photonic crystal emitting at 0.52 pm and having a hexagonal lattice, a filling factor of 50% and extending over 1.5 pm. This led him to determine that the band edge lies at the reduced frequency of 0.43.
  • the reduced frequency is the ratio between the step a and the wavelength.
  • the blue radiation emitted by the nanowires 12 is forced to move in the transverse plane XY so that it forms a standing wave within the conversion material 14.
  • the presence of the photonic crystal 26 greatly increases the length of the optical path carried out by the photons emitted by the nanowires 12 in the conversion material 14 since the photons go back and forth in the conversion material 14.
  • the red pixel 10 may be a green pixel.
  • the materials used to form the nanowires can also be different from the GaN and InGaN pair. It may in particular be envisaged a semiconductor material comprising mainly at least one element from group III and one element from group V (for example gallium nitride GaN), subsequently called compound III-V, or mainly comprising at least one element from group II and an element from group VI (for example zinc oxide ZnO), subsequently called compound II-VI, or predominantly comprising at least one element from group IV.
  • group III and one element from group V for example gallium nitride GaN
  • compound III-V for example gallium nitride GaN
  • an element from group VI for example zinc oxide ZnO
  • the upper wall 28 is made of a zinc oxide doped with gallium or aluminum (also called ZNO).
  • conversion layer 15 This is achieved in particular by depositing a layer over the entire upper wall. This layer is called conversion layer 15 in the following.
  • quantum dots of different colors for adjacent pixels 10.
  • Such a deposit is, for example, obtained using selective lithography or engraving techniques.
  • the medium 31 surrounding the nanowires is then for example SiOs.
  • the medium 31 is TiOs, Al2O3 or SisN 4 .
  • the material forming the medium 31 is an oxide or nitride transparent at the wavelengths emitted by the nanowires 12 and the quantum dots.
  • the absorption of the standing wave by the conversion material 14 then occurs on only one part, which is the evanescent part PE of the standing wave which excites the quantum dots of the conversion layer 15.
  • This evanescent part PE exists because the standing wave has a certain extent in the Z direction.
  • the distance between the conversion layer 15 and the bottom wall 30 is a multiple of ⁇ /2n with ⁇ the emission wavelength of a quantum dot and n l the effective index of the assembly formed by the walls 28 and 30 and the photonic crystal 26.
  • the distance can be defined here as the distance between the center of the conversion layer 15 and the last layer of the bottom wall 30 and obtained by simulation.
  • This embodiment of a red pixel 10 is less efficient than that which was presented in Figure 1 but this makes it possible to add the conversion layer 15 apart from the generation of the blue photons, which makes the deposition process of the layer easier than incorporating a conversion matrix between the nanowires.
  • one of the last steps of the manufacturing process will be the deposition of the conversion layer 15, which implies that the quantum dots will undergo fewer technical processes that could affect their performance or reliability.
  • the deposition of a protective layer in particular against oxidation, can also be carried out on the conversion layer 15 in order to increase their reliability.
  • a protective layer is, for example, made of SiOs, TiOs or AI2O3.
  • the preferred direction of emission of the nanowire 12 is the transverse plane XY. It can be noted that the band gap in which the conversion material 14 emits (band B2 here) is lower than the band gap in which the nanowires 12 emit (band B3 here).
  • the emission spectrum of the quantum dots being aligned with a resonance mode at 0° the preferred direction of emission for the quantum dots is therefore in the Z direction. This corresponds to the presence of two standing waves , a first of blue color in the transverse plane XY and a second of red color along the Z axis.
  • the photonic crystal 26 has a pitch a and a filling factor adapted to cause the nanoflls 12 to emit on the band edge of a band gap different from the first band gap, here the third band B3.
  • each emitting layer has a bandgap value strictly lower than the bandgap value of the n-doped layer and strictly lower than the bandgap value of the p-doped layer.
  • the n-doped layer and the p-doped layer are GaN layers, and each emitting layer is an InGaN layer.
  • the emitting layer is, for example, undoped. In other embodiments, the emitting layer is doped.
  • the conversion material is chosen from the set consisting of: CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, InP, InPZnS, Ag 2 S, CuInS, CuInSe, AglnS 2 , AglnSe 2 , or even lnPZn x Se xy Sy.
  • the conversion material is a non-semiconductor material such as an inorganic garnet.
  • the conversion material is a doped yttrium-aluminum garnet.
  • Particles based on yttrium-aluminum garnet e.g., YAG:Ce
  • particles based on aluminum-terbium garnet, TAG e.g., TAG:Ce
  • particles based on silicates e.g., SrBaSiO4:Eu
  • sulfide-based particles e.g., SrGa2S4:Eu, SrS:Eu, CaS:Eu, etc.
  • nitride-based particles e.g., Sr2Si5N8:Eu, Ba2Si5N8: Eu, etc.
  • particles based on oxynitrides e.g., Ca-a-SiAION:Eu, SrSi2O2N2:Eu, etc.
  • particles based on fluorides e.g., K 2 SiF6:Mn, Na2SiF6 :Mn, etc.
  • fluorides e
  • bandgap value must be understood as being the value of the bandgap between the valence band and the conduction band of the material.
  • the bandgap value is, for example, measured in electron volts (eV).
  • the valence band is defined as being, among the energy bands that are allowed for electrons in the material, the band that has the highest energy while being completely filled at a temperature less than or equal to 20 Kelvin ( K).
  • each bandgap value is measured between the first energy level and the second energy level of the material.
  • An example of a semiconductor material is a direct bandgap semiconductor.
  • a material is considered to have a “direct band gap” when the minimum of the conduction band and the maximum of the valence band correspond to the same value of momentum of charge carriers.
  • a material is considered to have an “indirect band gap” when the minimum of the conduction band and the maximum of the valence band correspond to different values of momentum of charge carriers.
  • III-V semiconductors include InAs, GaAs, AlAs and their alloys, InP, GaP, AIP and their alloys, and element III nitrides.
  • IV-IV semiconductors include Si, Ge and their alloys.
  • Nanowires A nanowire is a particular example of a three-dimensional structure.
  • a three-dimensional structure is one that extends along a principal direction.
  • the three-dimensional structure has a length measured along the principal direction.
  • the three-dimensional structure also has a maximum lateral dimension measured along a lateral direction perpendicular to the principal direction, the lateral direction being the direction perpendicular to the principal direction along which the dimension of the structure is greatest.
  • the maximum lateral dimension is, in particular, greater than or equal to 10 nm.
  • the length is greater than or equal to twice the maximum lateral dimension, for example it is greater than or equal to five times the maximum lateral dimension.
  • the main direction is, for example, the normal direction D.
  • the length of the three-dimensional structure is called "height" and the maximum dimension of the three-dimensional structure, in a plane perpendicular to the normal direction D, is less than or equal to 10 pm.
  • the maximum dimension of the three-dimensional structure, in a plane perpendicular to the normal direction D, is often called "diameter" regardless of the shape of the cross section of the three-dimensional structure.
  • each three-dimensional structure is a microwire.
  • a microwire is a cylindrical three-dimensional structure.
  • the microwire is a cylinder extending along the normal direction D.
  • the microwire is a cylinder with a circular base.
  • the diameter of the base of the cylinder is less than or equal to half the length of the microwire.
  • a microwire whose maximum lateral dimension is less than 1 pm is called a “nanowire”.
  • a truncated cone or truncated pyramid extending along the normal direction D is yet another example of a three-dimensional structure.
  • Standing wave A standing wave is the phenomenon resulting from the simultaneous propagation in opposite directions of several waves of the same frequency and the same amplitude, in the same physical medium, which forms a figure of which certain elements are fixed in time. Instead of seeing a propagating wave, we see a stationary vibration but of different intensity, at each point observed. The characteristic fixed points are called pressure nodes.
  • a quantum well is a structure in which quantum confinement occurs, in one direction, for at least one type of charge carrier. Quantum confinement effects occur when the size of the structure along this direction becomes comparable to or smaller than the De Broglie wavelength of the carriers, which are usually electrons and/or holes, leading to energy levels called “energy sub-bands”.
  • carriers can only exhibit discrete energy values but are generally able to move within a plane perpendicular to the direction in which confinement occurs.
  • the energy values available to carriers, also called “energy levels”, increase as the dimensions of the quantum well decrease along the direction in which confinement occurs.
  • the "De Broglie wavelength” is the wavelength of a particle when the particle is considered as a wave.
  • the De Broglie wavelength of electrons is also called the “length of electronic waves”.
  • the De Broglie wavelength of a charge carrier depends on the material the quantum well is made of.
  • An emitting layer whose thickness is strictly less than the product of the electronic wavelength of the electrons in the semiconductor material of which the emitting layer is made and five is an example of a quantum well.
  • Another example of a quantum well is an emitting layer whose thickness is strictly less than the product of the De Broglie wavelength of excitons in the semiconductor material of which the emitting layer is made and five.
  • An exciton is a quasi-particle comprising an electron and a hole.
  • a quantum well often has a thickness between
  • Radiation includes a set of electromagnetic waves.
  • a wavelength is defined for each electromagnetic wave.
  • Each set corresponds to a wavelength range or spectral band.
  • the wavelength range is the group formed by all the wavelengths of the set of electromagnetic waves.
  • An average wavelength for a spectral band can be defined as the average of the ends of the spectral band.
  • Red red radiation has an average wavelength between 600 nm and 720 nm.
  • Green green radiation has an average wavelength between 500 nm and 560 nm.

Abstract

La présente invention concerne un élément émetteur de lumière (10) comportant : - un matériau de conversion (14) propre à convertir un premier rayonnement dans une première bande spectrale en un deuxième rayonnement dans une deuxième bande spectrale, la deuxième bande spectrale étant distincte de la première bande spectrale, et - un générateur d'onde stationnaire dans la première bande spectrale, le générateur d'onde stationnaire comportant un cristal photonique (26) bidimensionnel adapté à générer une onde stationnaire dans la première bande spectrale, le cristal photonique (26) étant formé au moins en partie par des diodes électroluminescentes (12) adaptées pour émettre dans la première bande spectrale.

Description

Elément émetteur de lumière à générateur d’onde stationnaire et dispositif optoélectronique associé
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un élément émetteur de lumière et un dispositif optoélectronique comportant un tel élément émetteur de lumière.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Dans le domaine de l’optoélectronique, la réalisation de dispositifs de très petite taille est souhaitée. C’est notamment le cas pour les pixels d’écrans d’affichage couleur.
Dans les écrans couleur, chaque pixel comprend plusieurs sous-pixels, chaque sous-pixel étant configuré pour émettre une couleur spécifique, de sorte que la couleur émise par le pixel peut être modifiée en commandant quel(s) sous-pixel(s) est (sont) activé(s) ou en modifiant le courant électrique appliqué à chaque sous-pixel afin de modifier l’intensité d’émission relative de chaque sous-pixel.
Les structures semi-conductrices telles que les diodes électroluminescentes (LED) sont couramment utilisées à des fins diverses, tel que l’éclairage, en raison de leur bonne efficacité potentielle en matière d’émission de lumière. Sous l’effet de cette efficacité élevée potentielle, les LED ont été suggérées pour la fabrication d’écrans d’affichage à haute efficacité. Les structures LED prennent généralement la forme d’un empilement de couches semi-conductrices planes. La lumière est émise lorsqu’un courant électrique circule à travers l’empilement.
Ainsi, pour diminuer la taille des pixels, il est connu de faire croître des pixels natifs à base de LED réalisée en GaN/InGaN sur le même wafer. Un pixel natif est un pixel dont l’émission est nativement de la couleur souhaitée.
Toutefois, de tels pixels ne sont pas efficaces car seule l’efficacité quantique de ce type de LED pour la couleur bleue est satisfaisante. De fait, l’efficacité quantique pour la couleur verte est généralement de 30% alors que, pour la couleur rouge, elle tombe à moins de 5%.
De ce fait, il est connu d’utiliser des modules de conversion de couleur permettant à partir d’une LED bleue ou UV d’obtenir les autres couleurs. Les boîtes quantiques sont des exemples usuels de convertisseurs utilisés dans ces modules de conversion. Les boîtes quantiques sont souvent insérées dans une matrice.
Toutefois, pour des pixels de l’ordre de quelques micromètres, l'absorption des boîtes quantiques est trop faible pour garantir une conversion complète d’un rayonnement bleu vers un rayonnement rouge ou vert. Cela implique de filtrer le rayonnement non- converti pour obtenir un pixel de couleur rouge ou vert. Un tel filtrage représente une perte importante du rayonnement émis par la LED. Par exemple, il est observé une perte de 60% pour un pixel d’une taille de 5 pm sur 5 pm.
Il pourrait être envisagé de compenser cette perte en augmentant le nombre de boîtes quantiques.
Une première manière d’augmenter ce nombre de boîtes quantiques est d’augmenter la concentration de boîtes quantiques dans la matrice. Cette proposition se heurte au fait que de trop fortes concentrations entraînent des pertes de propriétés mécaniques de la matrice, la rendant incompatible avec les techniques utilisées dans la fabrication du pixel.
Une deuxième manière d’augmenter le nombre de boîtes quantiques est d’augmenter la taille de la matrice et notamment son épaisseur.
Néanmoins, là encore, cette augmentation se heurte à plusieurs problèmes.
La fabrication de pixels présentant une très forte épaisseur est d’abord techniquement délicate.
Une matrice plus épaisse implique une plus grande longueur du chemin optique du rayonnement converti par les boîtes quantiques. Cette augmentation résulte en de plus grandes pertes de réabsorption.
Un autre problème est lié à l’existence de diaphonie entre deux pixels. La diaphonie est usuellement évitée en insérant des murs opaques sur les bords du module de conversion des couleurs. Une épaisseur plus grande de la matrice implique une augmentation de la hauteur de ces murs et donc des pertes d’absorption au niveau de ces murs plus grandes et même tellement grandes qu’elles dépassent le gain d’absorption lié à l’augmentation du nombre de boîtes quantiques.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
Il existe donc un besoin pour un élément émetteur de lumière de petite taille permettant de remédier aux inconvénients précités.
A cet effet, la description décrit un élément émetteur de lumière comportant un matériau de conversion propre à convertir un premier rayonnement dans une première bande spectrale en un deuxième rayonnement dans une deuxième bande spectrale, la deuxième bande spectrale étant distincte de la première bande spectrale. L’élément émetteur de lumière comprend, en outre, un générateur d’onde stationnaire dans la première bande spectrale, le générateur d’onde stationnaire comportant un cristal photonique bidimensionnel adapté à générer une onde stationnaire dans la première bande spectrale, le cristal photonique étant formé au moins en partie par des diodes électroluminescentes adaptées pour émettre dans la première bande spectrale.
Contrairement à l’état de la technique, et en particulier les documents FR 3 068 173 A et US 2022/102324 A1 , les nanofils formant la source électroluminescente font partie du cristal photonique et servent à le réaliser en partie. Plus précisément, le cristal photonique est ici la combinaison d’un milieu et de nanofils.
De plus, le cristal photonique présente un rôle différent puisqu’il sert à générer une onde stationnaire générée efficacement grâce à la différence de structure précédente.
Cela permet de réaliser des éléments émetteurs de lumière, généralement des pixels, de petites tailles et présentant une bonne efficacité de conversion et donc émettant une quantité de lumière satisfaisante.
Selon des modes de réalisation particuliers, l’élément émetteur de lumière présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le cristal photonique est formé uniquement par des diodes électroluminescentes et un milieu entourant les diodes électroluminescentes.
- les diodes électroluminescentes comportent une couche active, au moins une couche active étant incluse dans le cristal photonique. Cela permet une injection efficace de la lumière dans le cristal photonique pour former l’onde stationnaire
- le cristal photonique est formé en partie de chaque couche active des diodes électroluminescentes.
- le cristal photonique comprend l’ensemble de chaque diode électroluminescente.
- les diodes électroluminescentes sont dans un milieu, ledit milieu étant le matériau de conversion. Cela permet de diminuer l’élément émetteur de lumière.
- le matériau de conversion repose sur le cristal photonique. Cela facilite la fabrication de l’élément émetteur de lumière.
- le cristal photonique présente plusieurs bandes interdites, le cristal photonique présentant un pas et un facteur de remplissage adaptés pour faire émettre les diodes électroluminescentes sur le bord de bande de la première bande interdite à 90°. Cela permet d’augmenter la probabilité d’absorption des photons dans la première bande spectrale par le matériau de conversion.
- le cristal photonique présente plusieurs bandes interdites, le cristal photonique présentant un pas et un facteur de remplissage adaptés pour faire émettre les diodes électroluminescentes sur le bord de bande d’une bande interdite à 90° différente de la première bande interdite. Cela permet d’obtenir une meilleure efficacité de l’élément émetteur de lumière par une augmentation de la directionnalité du rayonnement converti.
- le pas et le facteur de remplissage du cristal photonique sont également adaptés pour faire émettre le matériau de conversion sur le bord de bande d’une bande interdite à 0°, la bande interdite dans laquelle le matériau de conversion émet étant inférieure à la bande interdite dans laquelle émettent les diodes électroluminescentes. Cela permet d’obtenir une émission directionnelle perpendiculaire et plus précise pour le cristal photonique, résultant en de meilleures performances de l’élément émetteur de lumière.
- le cristal photonique est entouré par des parois formant une cavité, au moins une des parois étant réalisée dans un matériau choisi dans la liste constituée d’un oxyde conducteur transparent tel l’oxyde d’indium d’étain ou un oxyde de zinc dopé au gallium ou à l’aluminium, d’un métal tel l’Ag ou l’AI, du graphène et d’une combinaison de ces éléments. Cela permet d’obtenir des parois présentant des bonnes propriétés optiques et donc d’améliorer le rendement du cristal photonique.
- le matériau de conversion est une matrice polymère comprenant des boîtes quantiques. Cela facilite la fabrication de l’élément émetteur de lumière.
- chaque diode électroluminescente comporte un milieu actif réalisé en un premier matériau entouré par des couches réalisées en un deuxième matériau, le premier matériau comprenant du InGaN, et le deuxième matériau comprenant du GaN. Cela permet d’obtenir des bonnes performances de l’élément émetteur de lumière tout en conservant une fabrication aisée.
- le cristal photonique comporte une partie centrale et une partie périphérique, chaque partie rassemblant un ensemble de diodes électroluminescentes, seule la partie centrale du cristal photonique étant alimentée en énergie. Cela permet de diminuer la consommation d’énergie.
La description concerne également un élément émetteur de lumière comportant des diodes électroluminescentes adaptées pour émettre dans une bande spectrale et comprenant une couche active et un cristal photonique bidimensionnel formé au moins d’un milieu et des couches actives des diodes électroluminescentes, le cristal étant adapté à générer une onde stationnaire dans la bande spectrale.
Autrement formulé, la description propose un élément émetteur de lumière comportant un cristal photonique bidimensionnel adapté à générer une onde stationnaire, le cristal photonique comprenant les sources émettrices de l’élément émetteur de lumière.
La description décrit également un dispositif électronique optoélectronique comprenant au moins un élément émetteur de lumière tel que précédemment décrit. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en section transversale d’un exemple de pixel,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un diagramme de bandes illustrant un exemple de fonctionnement du pixel de la figure 1 ,
- la figure 3 est une représentation schématique des rayonnements émis par certains éléments du pixel dans le cadre du fonctionnement de la figure 2,
- la figure 4 est une représentation schématique en section transversale d’un autre exemple de pixel,
- la figure 5 est une représentation schématique d’un diagramme de bandes illustrant un autre exemple de fonctionnement du pixel de la figure 1 ,
- la figure 6 est une représentation schématique des rayonnements émis par certains éléments du pixel dans le cadre du fonctionnement de la figure, et
- la figure 7 est une représentation schématique de dessus d’encore un autre exemple de pixel.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Dans ce qui suit, pour faciliter la compréhension, la présente invention sera exposée comme suit : d’abord en expliquant ses principes généraux au travers d’un exemple spécifique puis en détaillant dans un deuxième temps comment ces mêmes principes peuvent être déclinés aisément pour d’autres exemples. Dans un troisième temps, des raffinements ou des modes de réalisation alternatifs de ces exemples seront décrits.
En outre, pour alléger la description, une section « définitions » a été insérée à la fin et le lecteur est invité à s’y reporter pour chacun des termes introduits dans ce qui suit.
Présentation d’un exemple spécifique
Pour ce qui concerne l’exemple spécifique, il est proposé en référence à la figure 1 de considérer le cas d’un sous-pixel rouge 10, appelé simplement pixel rouge 10 dans la suite pour simplifier.
Dans le cas de la figure 1 , le rayonnement rouge du pixel 10 est obtenu par une conversion d’un rayonnement bleu de nanofils 12 à l’aide d’un matériau de conversion 14. Les nanofils 12 sont des diodes électroluminescentes réalisées avec un matériau comportant de l’InGaN pour former la couche active 16 entre des couches en GaN 18, typiquement en nGaN ou en pGaN. Les nanofils 12 émettent un rayonnement bleu. Le spectre d’émission 20 d’un nanofil 12 est visible sur le diagramme de bandes de la figure 2.
Les nanofils 12 s’étendent principalement selon une direction longitudinale Z. Les directions transversales sont dénommées respectivement première direction transversale X et deuxième direction transversale Y.
Pour le présent exemple, le matériau de conversion 14 est une matrice comprenant des boîtes quantiques. Chaque boîte quantique présente le spectre d’absorption 22 et le spectre d’émission 24 qui sont illustrés sur le diagramme de bandes de la figure 2.
L’ensemble des nanofils 12 est agencé dans le matériau de conversion 14 pour former un cristal photonique 26 de pas a.
Cet agencement des nanofils 12 étant bidimensionnel, le cristal photonique 26 est un cristal photonique bidimensionnel.
Ce cristal photonique 26 forme une cavité résonante dans un plan formé par les deux directions transversales X et Y, noté plan transversal XY dans la suite.
Les courbes d’émission 27 du cristal photonique 26 correspondant à chaque mode de propagation permis par le cristal photonique 26 sont représentées schématiquement sur le diagramme de bandes de la figure 2. Ces courbes d’émission 27 sont des courbes représentant la longueur d’onde émise en fonction de l’angle d’émission.
Les modes de propagation du cristal photonique 26 sont séparés par des bandes interdites. Sur la figure 2, deux bandes interdites B1 et B2 sont représentées schématiquement.
La position des deux bandes interdites B1 et B2 est déterminée par le pas a du cristal photonique 26, le diamètre des nanofils 12, les indices des matériaux des nanofils 12 et du matériau de conversion 14 ainsi que l’épaisseur totale du cristal photonique 26.
Par ailleurs, le cristal photonique 26 est entouré par deux parois 28 et 30, à savoir une paroi supérieure 28 et une paroi inférieure 30, les deux parois 28 et 30 formant une cavité selon la direction longitudinale Z.
Une des deux parois 28 et 30 est une paroi permettant l’extraction de la lumière tandis que l’autre paroi est une paroi réfléchissante.
Pour réaliser ces parois 28 et 30, il peut être envisagé un empilement de couches de matériaux différents, les matériaux étant des métaux et/ou des diélectriques. Avantageusement, un matériau conducteur tel que l’oxyde d’indium étain (également appelé ITO), un métal comme Ag ou Al est en contact direct avec la partie supérieure et inférieure des nanofils 12 de sorte à permettre l’injection électrique. De fait, le cristal photonique 26 a ici la particularité de former un générateur d’onde stationnaire bleue dans le plan transversal XY pour les longueurs d'onde à proximité des bandes interdites à 90°.
Avec le terme « générateur », il convient de comprendre que le cristal photonique 26 est ici une source primaire au sens où l’onde stationnaire est créée au sein même du cristal photonique 26. En particulier, un rayonnement envoyé sur un tel cristal photonique ne permet pas la création d’une onde stationnaire, la pénétration du rayonnement dans le cristal photonique 26 étant très faible.
Cette particularité est maintenant expliquée en détaillant les phénomènes physiques impliqués.
Dans le générateur d’onde stationnaire, l’effet Purcell entraîne l’augmentation du taux d'émission spontanée de photons pour un matériau dans une cavité résonante par rapport à un matériau qui n’est pas dans une cavité résonante. Cela implique que les nanofils 12 émettent plus de photons dans le plan transversal XY. De l”effet Purcell résulte ainsi une sélection angulaire et en longueur d’ondes.
Dans l’exemple décrit, le cristal photonique 26 fonctionne sur un bord de bande spécifique, à savoir le bord de bande à 90° (correspondant à un vecteur d’ondes de n/a) de la première bande de résonance d’un nanofil 12. Un bord de bande correspond à une plage de longueurs d’onde pour laquelle la courbe d’émission 27 du cristal photonique s’aplatit significativement, typiquement sur une plage de longueurs d’onde inférieure à 25 nm, avantageusement inférieure à 10 nm et avantageusement encore inférieure à 5 nm. En référence à la figure 2, cela signifie que l’émission se fait sur la première bande de résonance d’un nanofil 12 sur la partie de la première bande de résonance en trait plus épais.
Plus précisément, l’émission finalement produite par le nanofil 12 dans le cristal photonique 26 est limitée à la portion d’intersection entre spectre d’émission 20 (émission primaire) et la courbe 27 d’émission du cristal photonique 26 située en dessous de la première bande interdite B1 , soit une émission angulaire selon la portion en trait plus épais qui est principalement à 90° (correspondant à la génération d’une onde stationnaire).
Cela a pour conséquence de contraindre l’émission du rayonnement dans le cristal photonique 26 uniquement dans le plan XY.
Le cristal photonique 26 est ainsi adapté à générer une onde stationnaire dans le bleu, le cristal photonique 26 étant formé au moins en partie par des nanofils 12 adaptés pour émettre dans le bleu.
L’obtention d’un tel comportement du cristal photonique 26 suppose d’adapter sa maille élémentaire, son pas et son facteur de remplissage. La maille élémentaire et le pas du cristal photonique 26 correspondent à l’agencement des nanofils 12 tandis que le facteur de remplissage est le rapport entre la surface occupée par les nanofils 12 et la surface totale du cristal photonique 26 et dépend à ce titre de la taille des nanofils 12 et plus précisément ici de leur diamètre.
Pour choisir un agencement et un diamètre appropriés pour les nanofils 12, il est possible d’utiliser la technique de simulation pour une configuration facile à réaliser expérimentalement et on utilise ensuite une homothétie.
Par exemple, la demanderesse a effectué un test avec un cristal photonique émettant à 0,52 pm et présentant un réseau hexagonal, un facteur de remplissage de 50% et s’étendant sur 1 ,5 pm. Cela l’a conduit à déterminer que le bord de bande se situe à la fréquence réduite de 0,43. Par définition, la fréquence réduite est le ratio entre le pas a et la longueur d’onde.
Cela permet de déterminer que pour une émission à 450 nm, le pas a approprié est de 193,5 nm.
Ensuite, il est possible d’effectuer une simulation numérique. La demanderesse a ainsi montré qu’il est possible d’obtenir une absorption de 96% avec des boîtes quantiques présentant un matériau d’encapsulation ayant un indice de 1 ,55 alors que le pixel présente une taille de seulement 1 ,5 pm sur 1 ,5 pm. En outre, l’absorption a lieu sur une bande relativement large d’environ 30 nm centrée autour de la fréquence réduite de 0,43.
Ainsi, en reformulant ce qui vient d’être indiqué, par un simple choix de l’agencement des nanofils 12 et de leur diamètre, le rayonnement bleu émis par les nanofils 12 est forcé de se déplacer dans le plan transversal XY de sorte que se forme une onde stationnaire au sein du matériau de conversion 14.
Il n’y a ainsi pas de rayonnement bleu dans une autre direction de sorte que le rayonnement n’est plus Lambertien. Cela apparaît bien sur la figure 3 qui représente schématiquement le rayonnement bleu émis par les nanofils sous la référence numérique 32.
Il en résulte que la présence du cristal photonique 26 augmente très fortement la longueur du chemin optique effectuée par les photons émis par les nanofils 12 dans le matériau de conversion 14 puisque les photons font des allers-retours dans le matériau de conversion 14.
Cette augmentation du chemin optique entraîne une plus forte probabilité qu’un photon bleu rencontre une boîte quantique, résultant en une forte augmentation de l’absorption du rayonnement bleu par les boîtes quantiques. L’absorption de l’ensemble de la lumière émise par chaque nanofil 12 devient quasi-totale. Dans la direction longitudinale Z, il est obtenu l’émission d’un rayonnement rouge présentant l’émission d’une Lambertienne comme représenté en pointillés avec le signe de référence 36 sur la figure 3.
En particulier, par conception, l’épaisseur de chaque boîte quantique est très faible et donc le trajet de la lumière convertie dans ce matériau de conversion 14 est très faible. Cela permet d’éviter significativement les pertes de réabsorption.
Il en résulte que, par rapport à une augmentation de l’épaisseur du matériau de conversion, une très grande augmentation de l’absorption par les boîtes quantiques est obtenue sans augmentation des pertes de réabsorption et surtout sans augmentation de la hauteur des murs.
L’efficacité quantique du pixel 10 proposé est ainsi considérablement augmentée.
Une conséquence de cette bonne efficacité quantique est que, contrairement aux modules de conversion connus, la fuite de photons bleus devient faible de sorte que le filtre de coupure du rayonnement bleu présente une épaisseur réduite, voire n’est plus indispensable si la diffusion est négligeable.
Aussi, il peut même être envisagé pour une efficacité quantique convenable de réduire la quantité de boîtes quantiques dans la matrice. Une telle réduction permet de réduire le coût de fabrication du pixel 10 et la quantité de matériaux néfastes pour l’environnement.
En outre, la fabrication du pixel 10 est plus aisée que celle d’autres pixels connus notamment dans la mesure où moins d’éléments sont nécessaires, comme par exemple la présence d’un filtre bleu ou de hauts murs pour éviter la diaphonie.
En plus, la fabrication peut impliquer des techniques relativement standards et compatibles avec des pixels 10 de petite taille.
Extension du principe à d’autres exemples
Le principe d’emploi d’un générateur d’onde stationnaire pour améliorer la conversion d’un pixel 10 peut être décliné pour bien d’autres exemples sans changement du principe.
Notamment, ce qui vient d’être décrit reste valable pour d’autres longueurs d’ondes.
En particulier, le pixel rouge 10 peut être un pixel vert.
Le rayonnement émis par les nanofils 12 peut être un rayonnement ultraviolet.
Le principe est également compatible avec d’autres matériaux de conversion 14.
Une liste des matériaux envisageables peut être trouvée dans la partie définitions.
Les matériaux utilisés pour former les nanofils peuvent également être différents du couple GaN et InGaN. Il peut notamment être envisagé un matériau semiconducteur comportant majoritairement au moins un élément du groupe III et un élément du groupe V (par exemple du nitrure de gallium GaN), appelé par la suite composé lll-V, ou comportant majoritairement au moins un élément du groupe II et un élément du groupe VI (par exemple de l'oxyde de zinc ZnO), appelé par la suite composé ll-VI, ou comportant majoritairement au moins un élément du groupe IV.
Il est également connu de réaliser une zone active comprenant des moyens de confinement, notamment un puits quantique unique ou des puits quantiques multiples. Un puits quantique unique est réalisé en interposant, entre deux couches d'un premier matériau semiconducteur, par exemple un composé lll-V, notamment du GaN, respectivement dopé de type P et N, une couche d'un deuxième matériau semiconducteur, par exemple un alliage du composé lll-V et d'un troisième élément, notamment le InGaN, dont la bande interdite est différente du premier matériau semiconducteur. Une structure de puits quantiques multiples comprend un empilement de couches semiconductrices formant une alternance de puits quantiques et de couches barrières.
D’autres matériaux peuvent aussi être envisagés pour réaliser les parois supérieure 28 ou inférieure 30.
Ainsi, la paroi supérieure 28 est réalisée en un oxyde de zinc dopé au gallium ou à l’aluminium (également appelé ZNO).
Plus généralement, la paroi supérieure 28 est réalisée en oxyde conducteur transparent (plus souvent désigné sous l’abréviation TCO qui renvoie à la dénomination anglaise correspondante de « transparent conductive oxyde »).
Toutefois, d’autres matériaux comme le graphène peuvent être envisagés.
Les mêmes matériaux peuvent être utilisés pour la paroi inférieure 30.
Raffinements ou modes de réalisation alternatifs
Des raffinements ou modes de réalisation alternatifs sont maintenant proposés.
En référence à la figure 4, il est possible d’envisager une variante du pixel rouge 10 de la figure 1 dans laquelle le matériau de conversion 14 est positionné sur la paroi supérieure 28.
Cela est notamment réalisé par le dépôt d’une couche sur l’ensemble de la paroi supérieure. Cette couche est appelée couche de conversion 15 dans la suite.
En variante, il peut être envisagé de déposer des boîtes quantiques de couleurs différentes pour des pixels 10 adjacent. Un tel dépôt est, par exemple, obtenu en utilisant des techniques de lithographie ou de gravure sélectives.
Le milieu 31 entourant les nanofils est alors par exemple du SiOs. En variante, le milieu 31 est du TiOs, du AI2O3 ou du SisN4.
Plus généralement, le matériau formant le milieu 31 est un oxyde ou un nitrure transparent aux longueurs d’ondes émises par les nanofils 12 et les boîtes quantiques.
Le fonctionnement est néanmoins différent de ce qui a été décrit pour le cas de la figure 1.
L’absorption de l’onde stationnaire par le matériau de conversion 14 se produit alors sur une partie seulement, partie qui est la partie évanescente PE de l’onde stationnaire qui vient exciter les boîtes quantiques de la couche de conversion 15.
Cette partie évanescente PE existe du fait que l’onde stationnaire présente une certaine étendue dans la direction Z.
Cela implique que la distance entre les boîtes quantiques et les nanofils 12 est suffisamment faible pour que le recouvrement entre la partie PE de l’onde stationnaire et la couche de conversion 14 soit suffisamment important.
En outre, pour favoriser avantageusement une émission directionnelle des boîtes quantiques, la distance entre la couche de conversion 15 et la paroi inférieure 30 est multiple de À/2n avec À la longueur d'onde d'émission d’une boîte quantique et n l’indice effectif de l’ensemble formé par les parois 28 et 30 et le cristal photonique 26.
Par exemple, la distance peut être définie ici comme la distance entre le centre de la couche de conversion 15 et la dernière couche de la paroi inférieure 30 et obtenue par une simulation.
Cela permet d’améliorer l’émission de rouge par la boîte quantique en augmentant la quantité de photons émis par effet Purcell ainsi que l’efficacité de conversion tout en permettant l’obtention d’une émission plus directionnelle de la boîte quantique.
Ce mode de réalisation d’un pixel rouge 10 est moins efficace que celui qui a été présenté à la figure 1 mais cela permet d’ajouter la couche de conversion 15 à part de la génération des photons bleus, ce qui rend le procédé de dépôt de la couche plus facile qu'une incorporation d'une matrice de conversion entre les nanofils.
En outre, dans ce cas, une des dernières étapes du procédé de fabrication sera le dépôt de la couche de conversion 15, ce qui implique que les boîtes quantiques subiront moins de processus techniques pouvant affecter leurs performances ou leur fiabilité. Le dépôt d’une couche de protection, notamment contre l’oxydation, peut par ailleurs être réalisé sur la couche de conversion 15 afin d’augmenter leur fiabilité. Une telle couche de protection est, par exemple, réalisée en SiOs, en TiOs ou en AI2O3.
En référence aux figures 5 et 6, il est aussi possible d’utiliser une résonance d’ordre n pour l’émission des nanofils 12. Cela correspond au fait d’utiliser un vecteur d’ondes de n*TT/a au lieu de n/a. Dans une telle situation, comme visible sur le diagramme de bandes de la figure 5, la longueur d’onde émise par les boîtes quantiques est alignée avec un bord de bandes à 0° (correspondant à la bande interdite notée B2).
Un tel alignement permet d’obtenir une efficacité quantique interne accrue pour la boîte quantique (toujours l’effet Purcell précité) et d’obtenir une émission bien plus directionnelle de chaque boîte quantique (plus centré sur la direction Z).
Lorsque le spectre d’émission 20 d’un nanofil 12 est aligné avec un mode de résonance à 90° (correspondant à la bande interdite notée B3), la direction d’émission privilégiée du nanofil 12 est le plan transversal XY. Il peut être noté que la bande interdite dans laquelle le matériau de conversion 14 émet (la bande B2 ici) est inférieure à la bande interdite dans laquelle émettent les nanofils 12 (la bande B3 ici).
Dans le présent cas, le spectre d’émission des boîtes quantiques étant aligné avec un mode de résonance à 0°, la direction d’émission privilégiée pour les boîtes quantiques est donc selon la direction Z. Cela correspond à la présence de deux ondes stationnaires, une première de couleur bleue dans le plan transversal XY et une deuxième de couleur rouge selon l’axe Z.
Le diagramme de rayonnement d’une boîte quantique dans une telle utilisation d’une résonance de deuxième ordre pour l’émission des nanofils 12 est visible sur la figure 6.
Ainsi, avantageusement, le cristal photonique 26 présentant un pas a et un facteur de remplissage adaptés pour faire émettre les nanoflls 12 sur le bord de bande d’une bande interdite différente de la première bande interdite, ici la troisième bande B3.
Un tel mode de réalisation conserve les avantages du mode de réalisation d’un pixel
10 rouge selon la figure 1 en lui ajoutant une meilleure directionnalité du rayonnement converti, ce qui contribue à augmenter encore l’efficacité du pixel 10 considéré.
La figure 7 présente un mode de réalisation qui est compatible avec l’ensemble des modes de réalisation qui viennent d’être présentés pour le pixel rouge 10.
Dans cet exemple, le cristal photonique 26 comporte une partie centrale 42 et une partie périphérique 44, chaque partie 42 ou 44 rassemblant un ensemble de nanofils 14.
La partie centrale 42 est alimentée et sert à émettre une onde stationnaire comme expliqué précédemment.
La partie périphérique 44 entoure la partie centrale 42 et n’est pas alimentée. Les nanofils 12 de cette partie périphérique 44 servent alors de miroirs pour l’onde stationnaire.
Dans la partie périphérique 44, si on souhaite réfléchir plusieurs longueurs d’ondes,
11 peut être envisagé un pas variable, par exemple un pas croissant depuis l’extrémité vers la zone centrale. Cela permet de se passer des miroirs extérieurs, qui peuvent aussi être utilisés en combinaison si cela est souhaitable.
Il a donc été présenté un ensemble de modes de réalisation exploitant l’idée d’utiliser un générateur d’onde stationnaire formé par un cristal photonique pour mieux exciter un matériau de conversion. Lorsque cela est techniquement possible, ces modes de réalisation peuvent être combinés ensemble.
Dans tous les cas, il est possible de réaliser des pixels 10 de petites tailles présentant une bonne efficacité de conversion et donc émettant une quantité de lumière satisfaisante.
Cela peut être avantageusement utilisé pour de nombreuses applications.
En particulier, ces pixels peuvent être utilisés pour des dispositifs optoélectroniques comme un écran d’affichage, un projecteur lumineux ou encore une paire de lunettes utilisées pour l’immersion en réalité virtuelle.
Si on prend le cas de l’écran d’affichage, le dispositif optoélectronique peut être intégré dans un dispositif électronique tel qu’un téléphone portable, une tablette ou un ordinateur portable. Dans un autre mode de réalisation, l’écran d’affichage est intégré dans un dispositif d’affichage dédié tel qu’un poste de télévision ou un écran d’ordinateur de bureau.
Lorsque l’écran est un écran polychrome, chaque pixel comporte plusieurs pixels de différentes couleurs. Ces pixels peuvent être ceux qui viennent d’être décrits.
Toutefois, on peut également envisager une coexistence de pixels selon l’état de la technique notamment lorsque l’efficacité n’est pas aussi importante (par exemple un bord d’écran).
DEFINITIONS
Bleu : un rayonnement bleu présente une longueur d’onde moyenne comprise entre 430 nm et 470 nm.
Boîte guantigue : Une boîte quantique est une structure dans laquelle un confinement quantique se produit dans les trois dimensions spatiales.
Un exemple de boîte quantique est une particule P ayant une dimension maximale inférieure ou égale au produit de la longueur d’onde électronique des porteurs de charge dans le matériau de conversion par cinq. Pour donner un ordre de valeur, une particule P ayant une dimension maximale comprise entre 1 nm et 200 nm et réalisée en un matériau convertisseur semi- conducteur est un exemple de boîte quantique.
Les boîtes quantiques peuvent être sélectionnées parmi les nanocristaux semi- conducteurs du groupe ll-VI, du groupe lll-V, du groupe IV-VI ou d’un mélange de ceux-ci.
Les nanocristaux semi-conducteurs du groupe ll-VI peuvent inclure, sans toutefois s’y limiter : CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe.
Les nanocristaux semi-conducteurs du groupe lll-V peuvent inclure, sans toutefois s’y limiter : GaN, GaP, GaAs, AIN, AIP, AlAs, InN, InP, InAs, InGaN, GaNP, GaNAs, GaPAs, AINP, AINAs, AlPAs et InAIPAs.
Les nanocristaux semi-conducteurs du groupe IV-VI peuvent inclure, sans toutefois s’y limiter : SbTe, PbSe, GaSe, PbS, PbTe, SnS, SnTe, PbSnTe. Les nanocristaux semi-conducteurs de type chalcopyrite sélectionnés à partir du groupe constitué de CulnS2, CulnSe2, CuGaS2, CuGaSe2, AglnS2, AglnSe2, AgGaS2, et AgGaSe2 pourraient également être envisagés.
Un autre exemple de boîte quantique est une particule P ayant un noyau et une coque entourant le noyau, le noyau étant réalisée en un matériau convertisseur semi-conducteur et ayant une dimension maximale comprise entre 1 nm et 200 nm. Le noyau peut comprendre, par exemple, un nanocristal tel que ceux décrits ci- dessus.
La coquille peut être constituée de ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, ou de tout mélange de ceux-ci.
Les boîtes quantiques peuvent également être protégés contre l’oxydation en utilisant une couche de protection en oxyde métallique, une couche de protection en nitrure métallique, une couche de protection en oxynitrure ou un mélange de celles-ci.
Une couche de protection en oxyde métallique peut être sélectionnée, sans toutefois s’y limiter, à partir du groupe constitué par AI2O3, SiOs, TiOs, ZrOs, B2O3, C02O3, C^Os, CuO, Pe2O3, Ga2Os, HfO2, ln2O3, MgO, Nb20s, NiO, SnO2, et Ta20s.
Les nitrures métalliques peuvent être par exemple BN, AIN, GaN, InN, ZrsN4, CuZN, etc.
Une couche de protection en oxynitrure pourrait inclure, mais sans s’y limiter, du SiON. L’épaisseur de la couche de protection peut varier de 1 à 400 nm, de préférence de
I à 100 nm.
Les particules P sont, par exemple, incorporées dans une résine photosensible. Les résines photosensibles sont utilisées dans de nombreuses techniques de fabrication électroniques pour définir des motifs sur une surface semi-conductrice, en particulier, puisque des zones spécifiques de la résine peuvent être solidifiées tout en laissant la possibilité de retirer d’autres zones, afin de définir les motifs, Les zones devant être retirées ou solidifiées sont définies par insolation au moyen d’une longueur d’onde de lumière à laquelle la résine est sensible. Une telle résine photosensible est, en particulier, utilisée pour protéger les zones couvertes contre le dépôt de matériau ou la gravure.
II convient de remarquer que la forme de la boîte quantique peut varier. Des exemples de boîtes quantiques de formes différentes peuvent être appelés nanotiges, nanofils, tétrapodes, nanopyramides, nanocubes, etc.
Il convient de remarquer que chaque particule P peut comprendre plus d’une boîte quantique, par exemple en intégrant les boîtes quantiques dans une microsphère de silice poreuse, ou en agrégeant plusieurs boîtes quantiques.
Cristal photonigue : structure périodique de matériaux diélectriques, semi- conducteurs ou métallo-diélectriques modifiant la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. Les longueurs d'onde pouvant se propager dans le cristal se nomment des modes dont la représentation énergie-vecteur d'onde forme des bandes. L'absence de modes propagatifs des ondes électromagnétiques dans de telles structures, dans une plage de fréquences ou de longueurs d'onde, est alors qualifiée de bande interdite.
Diagramme de bandes : Un diagramme de bandes présente l’énergie des bandes exprimées en fonction de la fréquence réduite en fonction de la valeur du vecteur d’ondes.
Dinde électreluminescente (LEP) : Une structure LED est une structure semi- conductrice comprenant plusieurs zones semi-conductrices formant une jonction P- N et configurée pour émettre de la lumière lorsqu’un courant électrique circule à travers les différentes zones semi-conductrices. Une structure bidimensionnelle comprenant une couche dopée n, une couche dopée p et au moins une couche émettrice est un exemple de structure LED. Dans ce cas, chaque couche émettrice est interposée, le long de la direction normale D, entre la couche dopée n et la couche dopée p.
Dans un mode de réalisation, chaque couche émettrice présente une valeur de bande interdite strictement inférieure à la valeur de bande interdite de la couche dopée n et strictement inférieure à la valeur de bande interdite de la couche dopée p. Par exemple, la couche dopée n et la couche dopée p sont des couches de GaN, et chaque couche émettrice est une couche d’InGaN.
La couche émettrice est, par exemple, non dopée. Dans d’autres modes de réalisation, la couche émettrice est dopée.
Un puits quantique constitue un exemple spécifique de couche émettrice présentant une valeur de bande interdite inférieure aux valeurs de bande interdite des couches dopées n et p.
Dopage : Le dopage se définit comme la présence, dans un matériau, d’impuretés apportant des porteurs de charges libres. Les impuretés sont, par exemple, des atomes d’un élément qui n’est pas naturellement présent dans le matériau.
Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique de trous dans le matériel, par rapport à du matériel non dopé, le dopage est de type p. Par exemple, une couche de nitrure de gallium, GaN, est dopée p en ajoutant des atomes de magnésium (Mg).
Lorsque les impuretés augmentent la densité volumique d’électrons libres dans le matériau, par rapport au matériau non dopé, le dopage est de type n. Par exemple, une couche de nitrure de gallium, GaN, est dopée n en ajoutant des atomes de silicium (Si).
Matériau de conversion : Le matériau de conversion est configuré pour convertir le premier rayonnement émis par l’émetteur de lumière en un deuxième rayonnement. En d’autres termes, le matériau de conversion est configuré pour être excité par le premier rayonnement et pour émettre en réponse le deuxième rayonnement.
Le deuxième rayonnement présente une deuxième plage de longueurs d’onde. La deuxième plage est distincte de la première plage. En particulier, la deuxième place présente une deuxième longueur d’onde moyenne, la deuxième longueur d’onde moyenne étant différente de la première longueur d’onde moyenne. La deuxième longueur d’onde moyenne est, notamment, strictement supérieure à la première longueur d’onde moyenne.
Le matériau de conversion est, par exemple, un matériau semi-conducteur.
Par exemple, le matériau de conversion est choisi parmi l’ensemble constitué de : CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, InP, InPZnS, Ag2S, CuInS, CuInSe, AglnS2, AglnSe2, ou encore lnPZnxSex.ySy. Toutefois, d’autres types de matériaux sont envisageables. Selon d’autres modes de réalisation, le matériau de conversion est un matériau non semi-conducteur tel qu’un grenat inorganique. Par exemple, le matériau de conversion est un grenat d’yttrium-aluminium dopé. Toutefois, d’autres types de matériaux de conversion non semi-conducteurs, notamment d’autres grenats, sont envisageables.
En particulier, le matériau de conversion peut être un phosphore inorganique.
Les particules à base de grenat d’yttrium-aluminium (par exemple, YAG:Ce), les particules à base de grenat d’aluminium-terbium, TAG, (par exemple, TAG:Ce), les particules à base de silicates (par exemple, SrBaSiO4:Eu), les particules à base de sulfures (par exemple, SrGa2S4:Eu, SrS:Eu, CaS:Eu, etc.), les particules à base de nitrures (par exemple, Sr2Si5N8:Eu, Ba2Si5N8:Eu, etc.), les particules à base d’oxynitrures (par exemple, Ca-a-SiAION:Eu, SrSi2O2N2:Eu, etc.), les particules à base de fluorures (par exemple, K2SiF6 :Mn, Na2SiF6 :Mn, etc.) sont des exemples de phosphores inorganiques.
De nombreux autres matériaux de conversion peuvent être utilisés, tels que les aluminates dopés, les nitrures dopés, les fluorures dopés, les sulfures dopés, ou les silicates dopés.
Le matériau de conversion est, par exemple, dopé au moyen d’éléments de terres rares, d’éléments de métaux alcalino-terreux ou d’éléments de métaux de transition. Le cérium est, par exemple, parfois utilisé pour le dopage de grenats d’yttrium- aluminium.
Le matériau de conversion comprend, par exemple, un ensemble de particules P réalisées en le matériau de conversion. Ces particules P sont parfois appelées « luminophores ».
Matériau semi-conducteur : L’expression « valeur de bande interdite » doit être comprise comme étant la valeur de la bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau.
La valeur de bande interdite est, par exemple, mesurée en électrons-volts (eV). La bande de valence est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus élevée tout en étant complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 Kelvin (K).
Un premier niveau d’énergie est défini pour chaque bande de valence. Le premier niveau d’énergie est le niveau d’énergie le plus élevé de la bande de valence.
La bande de conduction est définie comme étant, parmi les bandes d’énergie qui sont autorisées pour les électrons dans le matériau, la bande qui présente l’énergie la plus faible tout en n’étant pas complètement remplie à une température inférieure ou égale à 20 K.
Un deuxième niveau d’énergie est défini pour chaque bande de conduction. Le deuxième niveau d’énergie est le niveau d’énergie le plus élevé de la bande de conduction.
Ainsi, chaque valeur de bande interdite est mesurée entre le premier niveau d’énergie et le deuxième niveau d’énergie du matériau.
Un matériau semi-conducteur est un matériau présentant une valeur de bande interdite strictement supérieure à zéro et inférieure ou égale à 6,5 eV.
Un semi-conducteur à bande interdite directe constitue un exemple de matériau semi-conducteur. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite directe » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à une même valeur de quantité de mouvement de porteurs de charge. Un matériau est considéré comme présentant une « bande interdite indirecte » lorsque le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence correspondent à différentes valeurs de quantité de mouvement de porteurs de charge.
Chaque matériau semi-conducteur est susceptible d’être choisi, par exemple, parmi l’ensemble formé des semi-conducteurs lll-V, notamment des nitrures d’éléments III, des semi-conducteurs ll-VI, ou encore des semi-conducteurs IV-IV.
Les semi-conducteurs lll-V comportent notamment InAs, GaAs, AlAs et leurs alliages, InP, GaP, AIP et leurs alliages, et les nitrures d’éléments III.
Les semi-conducteurs ll-VI comportent notamment CdTe, HgTe, CdSe, HgSe, et leurs alliages.
Les semi-conducteurs IV-IV comportent notamment Si, Ge et leurs alliages.
Nanofils : Un nanofil est un exemple particulier de structure tridimensionnelle. Une structure tridimensionnelle est une structure qui s’étend le long d’une direction principale. La structure tridimensionnelle présente une longueur mesurée le long de la direction principale. La structure tridimensionnelle présente également une dimension latérale maximale mesurée le long d’une direction latérale perpendiculaire à la direction principale, la direction latérale étant la direction perpendiculaire à la direction principale le long de laquelle la dimension de la structure est la plus grande.
La dimension latérale maximale est, par exemple, inférieure ou égale à 10 micromètres (pm), et la longueur est supérieure ou égale à la dimension latérale maximale. La dimension latérale maximale est avantageusement inférieure ou égale à 2,5 pm.
La dimension latérale maximale est, notamment, supérieure ou égale à 10 nm.
Dans des modes de réalisation spécifiques, la longueur est supérieure ou égale à deux fois la dimension latérale maximale, par exemple elle est supérieure ou égale à cinq fois la dimension latérale maximale.
La direction principale est, par exemple, la direction normale D. Dans ce cas, la longueur de la structure tridimensionnelle est appelée « hauteur » et la dimension maximale de la structure tridimensionnelle, dans un plan perpendiculaire à la direction normale D, est inférieure ou égale à 10 pm.
La dimension maximale de la structure tridimensionnelle, dans un plan perpendiculaire à la direction normale D, est souvent appelée « diamètre » quelle que soit la forme de la section transversale de la structure tridimensionnelle.
Par exemple, chaque structure tridimensionnelle est un microfil. Un microfil est une structure tridimensionnelle cylindrique.
Dans un mode de réalisation spécifique, le microfil est un cylindre s’étendant le long de la direction normale D. Par exemple, le microfil est un cylindre à base circulaire. Dans ce cas, le diamètre de la base du cylindre est inférieur ou égal à la moitié de la longueur du microfil.
Un microfil dont la dimension latérale maximale est inférieure à 1 pm est appelé un « nanofil ».
Une pyramide s’étendant le long de la direction normale D à partir du substrat constitue un autre exemple de structure tridimensionnelle.
Un cône s’étendant le long de la direction normale D constitue un autre exemple de structure tridimensionnelle.
Un cône tronqué ou une pyramide tronquée s’étendant le long de la direction normale D constitue encore un autre exemple de structure tridimensionnelle. Onde stationnaire : Une onde stationnaire est le phénomène résultant de la propagation simultanée dans des sens opposés de plusieurs ondes de même fréquence et de même amplitude, dans le même milieu physique, qui forme une figure dont certains éléments sont fixes dans le temps. Au lieu d'y voir une onde qui se propage, on constate une vibration stationnaire mais d'intensité différente, en chaque point observé. Les points fixes caractéristiques sont appelés des noeuds de pression.
Pixels : De nombreux écrans d’affichage comportent un ensemble d’émetteurs de lumière qui sont utilisés pour former l’image affichée sur l’écran. Ces émetteurs jouent chacun le rôle d’un élément d’image ou « pixel » de l’anglais « Picture Element » (en particulier lorsque l’écran est monochrome), ou d’une portion d’un tel élément d’image, appelée « sous-pixel » (notamment lorsque l’écran est un écran couleur, chaque pixel comportant des sous-pixels de couleur différente dont l’allumage sélectif permet de modifier la couleur du pixel). Dans la description, le pixel rouge était en ce sens plutôt un sous-pixel.
Puits guantigue : Un puits quantique est une structure dans laquelle un confinement quantique se produit, dans une direction, pour au moins un type de porteurs de charges. Les effets du confinement quantique se produisent lorsque la dimension de la structure le long de cette direction devient comparable à ou plus petite que la longueur d’onde de De Broglie des porteurs, lesquels sont généralement des électrons et/ou à des trous, conduisant à des niveaux d’énergie appelés « sous- bandes d’énergie ».
Dans un tel puits quantique, les porteurs ne peuvent présenter que des valeurs d’énergie discrètes mais sont généralement aptes à se déplacer à l’intérieur d’un plan perpendiculaire à la direction dans laquelle le confinement se produit. Les valeurs d’énergie disponibles pour les porteurs, également appelées « niveaux d’énergie », augmentent lorsque les dimensions du puits quantique diminuent le long de la direction dans laquelle le confinement se produit.
En mécanique quantique, la « longueur d’onde de De Broglie » est la longueur d’onde d’une particule lorsque la particule est considérée comme une onde. La longueur d’onde de De Broglie des électrons est également appelée « longueur d’onde électronique ». La longueur d’onde de De Broglie d’un porteur de charge dépend du matériau dont est constitué le puits quantique.
Une couche émettrice dont l’épaisseur est strictement inférieure au produit de la longueur d’onde électronique des électrons dans le matériau semi-conducteur dont la couche émettrice est constituée et de cinq est un exemple de puits quantique.
Un autre exemple de puits quantique est une couche émettrice dont l’épaisseur est strictement inférieure au produit de la longueur d’onde de De Broglie d’excitons dans le matériau semi-conducteur dont la couche émettrice est constituée et de cinq. Un exciton est une quasi-particule comprenant un électron et un trou.
En particulier, un puits quantique présente souvent une épaisseur comprise entre
I nm et 50 nm.
Rayonnement : Un rayonnement comprend un ensemble d’ondes électromagnétiques.
Une longueur d’onde est définie pour chaque onde électromagnétique.
Chaque ensemble correspond à une plage de longueurs d’onde ou une bande spectrale. La plage de longueurs d’onde est le groupe formé par l’ensemble des longueurs d’onde de l’ensemble d’ondes électromagnétiques.
II peut être défini une longueur d’onde moyenne pour une bande spectrale comme la moyenne des extrémités de la bande spectrale.
Rouge : un rayonnement rouge présente une longueur d’onde moyenne comprise entre 600 nm et 720 nm.
Ultraviolet : un rayonnement ultraviolet présente une longueur d’onde moyenne comprise entre 350 nm et 430 nm.
Vert : un rayonnement vert présente une longueur d’onde moyenne comprise entre 500 nm et 560 nm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Elément émetteur de lumière (10) comportant :
- un matériau de conversion (14) propre à convertir un premier rayonnement dans une première bande spectrale en un deuxième rayonnement dans une deuxième bande spectrale, la deuxième bande spectrale étant distincte de la première bande spectrale, et
- un générateur d’onde stationnaire dans la première bande spectrale, le générateur d’onde stationnaire comportant un cristal photonique (26) bidimensionnel adapté à générer une onde stationnaire dans la première bande spectrale, le cristal photonique (26) étant formé au moins en partie par des diodes électroluminescentes (12) adaptées pour émettre dans la première bande spectrale.
2. Elément émetteur de lumière selon la revendication 1 , dans lequel le cristal photonique (26) est formé uniquement par des diodes électroluminescentes (12) et un milieu (14, 31 ) entourant les diodes électroluminescentes (12).
3. Elément émetteur de lumière selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les diodes électroluminescentes (12) comportent une couche active (16), au moins une couche active (16) étant incluse dans le cristal photonique (26).
4. Elément émetteur de lumière selon la revendication 3, dans lequel le cristal photonique (26) est formé en partie de chaque couche active (16) des diodes électroluminescentes (12).
5. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le cristal photonique (26) comprend l’ensemble de chaque diode électroluminescente (12).
6. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les diodes électroluminescentes (12) sont dans un milieu, ledit milieu étant le matériau de conversion (14).
7. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau de conversion (14) repose sur le cristal photonique (26).
8. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le cristal photonique (26) présente plusieurs bandes interdites, le cristal photonique (26) présentant un pas (a) et un facteur de remplissage adaptés pour faire émettre les diodes électroluminescentes (12) sur le bord de bande de la première bande interdite à 90°.
9. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le cristal photonique (26) présente plusieurs bandes interdites, le cristal photonique (26) présentant un pas (a) et un facteur de remplissage adaptés pour faire émettre les diodes électroluminescentes (12) sur le bord de bande d’une bande interdite à 90° différente de la première bande interdite.
10. Elément émetteur de lumière selon la revendication 9, dans lequel le pas (a) et le facteur de remplissage du cristal photonique (26) sont également adaptés pour faire émettre le matériau de conversion sur le bord de bande d’une bande interdite à 0°, la bande interdite dans laquelle le matériau de conversion (14) émet étant inférieure à la bande interdite dans laquelle émettent les diodes électroluminescentes (12).
11. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à
10, dans lequel le cristal photonique (26) est entouré par des parois (28, 30) formant une cavité, au moins une des parois (28, 30) étant réalisée dans un matériau choisi dans la liste constituée d’un oxyde conducteur transparent tel l’oxyde d’indium d’étain ou un oxyde de zinc dopé au gallium ou à l’aluminium, d’un métal tel l’Ag ou l’AI, du graphène et d’une combinaison de ces éléments.
12. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à
11 , dans lequel le matériau de conversion (14) est une matrice polymère comprenant des boîtes quantiques.
13. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à
12, dans lequel chaque diode électroluminescente (12) comporte un milieu actif (16) réalisé en un premier matériau entouré par des couches (18) réalisées en un deuxième matériau, le premier matériau comprenant du InGaN, et le deuxième matériau comprenant du GaN.
14. Elément émetteur de lumière selon l’une quelconque des revendications 1 à
13, dans lequel le cristal photonique (26) comporte une partie centrale (42) et une partie périphérique (44), chaque partie (42, 44) rassemblant un ensemble de diodes électroluminescentes (12), seule la partie centrale (42) du cristal photonique (26) étant alimentée en énergie.
15. Dispositif optoélectronique comprenant au moins un élément émetteur de lumière (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14.
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