Sources photoniques. Chapitre 2 : DELs / LEDs Diodes Electroluminescentes

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1 Sources photoniques Chapitre : DELs / LEDs Diodes Electroluminescentes

2 LEDS 1. Rappel : Recombinaisons

3 Recombinaisons radiatives LEDs Photodétecteurs Lasers Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 3

4 Emission spontanée L émission spontanée ne requiert pas la présence préalable d un champ électromagnétique (de photons). L émission spontanée est un phénomène désordonné, aléatoire. En particulier, toutes les directions d émission et de propagation sont équiprobables. Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 4

5 Recombinaisons spontanées dans les semiconducteurs Recombinaisons non-radiatives «SRH» : Taux de recombinaisons : R SRH = A n durée de vie : τ SRH Recombinaisons radiatives : Taux de recombinaisons : R rad = B n durée de vie : τ rad Recombinaisons non-radiatives «Auger»: Taux de recombinaisons : R Auger = C n 3 durée de vie : τ Auger Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 5

6 Recombinaisons spontanées dans les semiconducteurs L ensemble des recombinaisons spontanées est régi par: R = R SRH + R rad + R Auger = An + Bn + Cn 3. Durée de vie des porteurs: τ 1 τ = τ 1 SRH + τ 1 rad + τ 1 Auger 1 = τ 1 + τ 1 τ non rad rad Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 6

7 Recombinaisons spontanées dans les semiconducteurs Recombinaisons non-radiatives «SRH» : Dépend de la qualité du matériau, des hétérostructures Recombinaisons radiatives : Propriété intrinsèque élaboration choix du semiconducteur dessin de la structure Recombinaisons non-radiatives «Auger»: Dépend de la structure de bandes bandgap engineering Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 7

8 Emission spontanée dans les semiconducteurs Pour augmenter les performances d une LED on va chercher à favoriser l émission spontanée au niveau de la jonction : Favoriser la «rupture d équilibre» Favoriser le «recouvrement» e - -h Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 8

9 LEDS. Rendements

10 Rendement quantique interne η int = nbre de photons émis dans la zone active / s nbre d'électrons injectés dans la zone active / s η int = Pint hν I e Avec : P int = puissance lumineuse émise par zone active hν = énergie du photon (de la transition) I = courant injecté e = charge électron Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 10

11 Rendement quantique interne η = R rad rad int R + R rad non rad rad = ou encore : τ 1 τ τ non rad η int = 1+ τ rad 1 τ non rad Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 11

12 Rendement d extraction Les photons émis par la zone active sont émis de façon aléatoire dans la zone de jonction (émission spontanée). Ces photons se propagent dans la LED et peuvent : être re-absorbés : band-gap engineering se réfléchir aux interfaces (en particulier semiconducteur/air) être émis : extraction L extraction des photons est une sévère limitation à la performance des LEDs (cf. exemple plus loin) Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 1

13 Rendement d extraction η extraction = nbre de photons sortant de la LED / s nbre de photons émis par la zone active / s η extraction = P hν Pint hν = P P int Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 13

14 Rendement quantique externe η ext = nbre de photons sortant de la LED / s nbre d'électrons injectés ds la zone active / s P hν I e η = = η ext int x η extraction Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 14

15 Rendement à la prise η = puissance émise par la LED puissance d'alimentation = wall- plug efficiency (WPE) η = P IV Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 15

16 LEDS 3. Rendement d extraction

17 Cône d extraction Le rayonnement émis par la zone active va devoir traverser l interface semiconducteur air pour être utile. Un photon émis ds le cône d angle < φ c va sortir, alors que pour φ φ c il va y avoir réflexion totale. air : n air sc : n sc φ ψ ψ = 90 φ c source source Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 17

18 Loi de Snell Descartes : Cône d extraction n sc sin φ = n air sin ψ Pour l angle critique φ c : ψ = 90 Donc : φ n n air sin = x sin 90 = c sc φ c = arcsin nair nsc n n air sc Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 18

19 Probabilité d échappement des photons Considérons une source émettrice ponctuelle. Les photons émis dans le cône d extraction, cad avec φ < φ c, sortent du sc, les autres sont totalement réfléchis. Tous les photons émis dans ce cône sortent par une calotte sphérique de surface A. Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 19

20 Probabilité d échappement des photons A = φ=φ c da = π.r sin φ.r.d φ = πr (1 cos φ= 0 Emission spontanée = émission équiprobable dans toutes les directions de l espace = surface totale d émission = 4π r. Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 0 φ c )

21 Probabilité d échappement des photons = Pextrait Psource πr (1 cosφ 4πr x c ) η extraction = P P extrait source = 1 (1 cos φ c ) avec : φ c = arcsin n n air sc Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 1

22 Probabilité d échappement des photons arcsin x = x + 1 x (r)! r ( r!) x r r x cos x = 1 x! + x 4 4! x donc: φ c n n air sc et cos φ c 1 1 n n air sc Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA

23 Probabilité d échappement des photons η 1 = (1 cosφ ) 1 4 n n air extraction c sc Exemples : GaAs : n sc ~ 3.5 η extraction ~ %!! GaN : n sc ~.5 η extraction ~ 4 %!! Si on utilise un sc «nu» le rendement d extraction est toujours très faible. Il faut alors adapter la géométrie du composant, l encapsuler, etc.. pour augmenter η extraction. Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 3

24 LEDS 4. Amélioration du rendement d extraction

25 Encapsulation avec dôme epoxy η extraction n 1 air η si " n " air 4 n extraction sc Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 5

26 Forme de la LED Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 6

27 Forme de la LED Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 7

28 Texturation de la surface Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 8

29 Packaging Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 9

30 LEDS 5. Spectre d émission

31 Spectre d émission Le spectre émis dépend du gap du sc émetteur et de la température de fonctionnement du composant. En prenant en compte la densité d états et le distribution des porteurs on montre que le spectre d émission a les propriétés suivantes : largeur à mi-hauteur : FWHM = 1.8 kt maximum d émission : E = E g + ½ kt Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 31

32 Spectre d émission Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 3

33 Spectre d émission FWHM = Δ(hν ) = 1.8kT λ( μm) = Δ λ 1.4 hν ( ev ) 1.4 d( hν ) = dλ dλ = d( hν ) 1.4 Δλ = λ λ hν = λ Δ( hν ) 1.4 =1.45 λ kt 1.4 λ Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 33

34 Spectre d émission Δλ =1.45λ kt Plus la longueur d onde émise est grande, plus le spectre émis est large : λ = 450 nm Δλ = 8 nm λ = 650 nm Δλ = 18 nm λ = 1.3 µm Δλ = 64 nm N.B.: cette largeur du spectre émis reste inférieure à la perception «monochromatique» de l œil humain. Ex: «rouge» ~ nm Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 34

35 LEDS 6. Champs d applications

36 Champs d applications Communications courtes distances : IR Sur fibres optiques En espace libre Affichage : visible Eclairage : blanc Chap - LEDs Sources photoniques - M EEA 36