Chapitre 4 : Couches de conversion à base de nanoparticules de YAG:Ce
4.3 Couche de conversion à base de YAG:Ce déposée par pulvérisation
4.3.3 Dépôt sur diodes
Fabrication
Les diodes utilisées ici sont des diodes GaN/InGaN déposées sur substrat de saphir9,
qui émettent à 450 nm, ce qui correspond au maximum d'absorption des nanoparticules de YAG:Ce. Chaque échantillon est consitué d'une plaquette sur laquelle sont alignées des séries de diodes. La gure 4.12 (a) est une photographie, au microscope optique, d'une plaquette de diodes vue du dessus. Chaque rectangle de 300 µm de petit côté correspond à une diode. La gure 4.12 (b) présente schématiquement la con guration des diodes utilisées. Ce qui est surtout important de voir ici est le positionnement des contacts n et p de la diode qui doivent être reliés à une source de courant pour que la diode émette dans le bleu. Le contact p est circulaire et est situé au centre de la diode alors que le contact n correspond à la bande rectangulaire visible le long de chaque diode, en bleu sur la gure 4.12 (a). Si l'on veut exciter la diode après le dépôt de la couche de conversion, il faut avoir accès à ces contacts. Une couche de nanoparticules de YAG:Ce de 5 µm, équivalente à celle caractérisée dans la section précédente, a été déposée par pulvérisation sur une plaquette de diodes. Celle-ci a ensuite été placée sous un microscope et la couche de YAG:Ce a été grattée à l'aide d'une aiguille a n de libérer l'accès aux contacts ( gure 4.12 (c)). Les contacts étant accessibles, des électrodes peuvent être positionnées a n de relier une diode de la plaquette à une source de courant. Celle-ci émet alors dans le bleu et vient exciter la couche de YAG:Ce. La gure 4.12 (d) illustre ceci : une plaquette de diode recouverte de YAG:Ce est déposée sur une platine et une diode est excitée grâce à des électrodes (aiguilles visibles à droite). La diode est ici en fonctionnement : on observe la lumière blanche sur la photographie.
Caractérisation
Les diodes sont caractérisées sur le montage d'électroluminescence résolue en angle présenté dans la partie 4.2.2. La gure 4.13 présente une carte d'émission I(θ,λ) dans la partie jaune du spectre de la diode recouverte de la couche de YAG:Ce. Contrairement aux diodes recouvertes de YAG/TiO2, une composante jaune de la lumière est bien
visible entre 500 et 600 nm, même si elle reste relativement faible par rapport à la composante bleue (centrée sur 450 et visible jusqu' à 500 nm). La composante jaune mesurée correspond environ à 4 % de la lumière totale émise. Cette valeur mesurée n'est pas aberrante compte tenu du fait que la couche absorbe environ 7 % de la lumière à 450 nm (cf. partie 4.9) et que les nanoparticules ont un rendement interne de 60 % environ.
(b)
p-GaN n-GaN GaN c c c contact p contact n Saphir GaN InGaN c(a)
Figure 4.12 (a) Photographie d'une plaquette de diodes vue du dessus au microscope optique, (b) Con guration des diodes GaN/InGaN utilisées, (c) Photographie d'une plaquette de diodes vue du dessus au microscope optique après dépôt par pulvérisation de la couche de YAG:Ce et dégagement des contacts, (d) Photographie de la plaquette recouverte de YAG:Ce, dont une diode est reliée à la source de courant.
Il est nécessaire d'absorber et de convertir davantage de lumière bleue pour générer une lumière blanche moins froide . Nous avons pu déposer par pulvérisation des couches de 10 µm d'épaisseur, ce qui permet de doubler l'épaisseur de la couche de conversion par rapport à celle qui a été étudiée jusqu'ici sur diode. On obtiendrait alors une absorption de l'ordre de 14 %.
Figure 4.13 Diagramme d'émission I(θ,λ) de la diode recouverte de la couche de YAG:Ce dans la partie jaune du spectre. A noter que seule une partie de la composante bleue est présentée.
Il est très di cile d'obtenir des couches épaisses tout en contrôlant leurs pro- priétés de diusion. Des couches à base de nanoparticules de YAG:Ce ont été déposées par pulvérisation. La diusion des couches n'est pas entièrement con- trôlée à cause de la porosité interparticules et d'une rugosité de surface, qui empêche par ailleurs la structuration par embossage. Ces couches déposées par pulvérisation devront être encore optimisées (remplissage des pores, couche de planarisation) pour constituer des couches de conversion e cace. La méthode de dépôt par pulvérisation a permis de densi er les couches en YAG par rapport à l'incorporation des nanoparticules dans une matrice. Malgré cela, les épais- seurs accessibles ne sont pas su santes pour réaliser une diode blanche avec un bon équilibre entre le bleu émis par la diode et le jaune converti par le YAG:Ce (seulement 4 % de lumière jaune). En particulier, l'absorption des couches n'est encore pas su sante.
Favoriser l'injection de la lumière bleue dans la couche de conversion
Nous avons vu qu'une couche dense de YAG:Ce de 5 µm d'épais n'absorbe que quelques pour cent de lumière bleue. Voyons quelle épaisseur serait nécessaire pour en absorber 50 %10. En notant I
0 l'intensité incidente et I l'intensité qui ressort de la
couche, l'absorption de la couche s'exprime comme : A = I0− I
I0
= 1 − I I0
(4.1) Ainsi, avec α le coe cient d'absorption du YAG:Ce composant la couche et l la longueur du trajet optique de la lumière d'excitation dans la couche, on a :
A = 1 − exp(−α · l) (4.2)
10. Il n'est pas forcément nécessaire de convertir 50 % de la lumière bleue pour obtenir un bon rendu de couleur puisque l'÷il est beaucoup plus sensible dans la région vert-jaune que dans la région bleue (cf. annexe B, gure B.1). Il ne s'agit ici que de l'évaluation d'un ordre de grandeur.
La section e cace d'absorption σ du Ce3+ dans le YAG est de 6.10−19 cm2(11), ce qui
donne pour le YAG dopé à 1 % en cérium un coe cient d'absorption de 80 cm−1. Selon
la formule 4.2, pour obtenir une absorption de 50 %, la lumière bleue doit parcourir 85 µm dans la couche de conversion.
Par les méthodes sol-gel ou de dépôt par pulvérisation, il sera di cile d'atteindre des épaisseurs supérieures à quelques microns en conservant une bonne qualité optique des couches. Pour compenser la faible épaisseur optique de la couche, une idée, proposée par C. Weisbuch12 consiste à augmenter latéralement le trajet optique de l'excitation
dans la couche, c'est-à-dire à injecter la lumière bleue d'excitation dans la couche de conversion de sorte qu'elle soit guidée. En eet, on ne peut pas changer le coe cient d'absorption α qui est xé par la couche (et plus précisément par sa densité en ions Cérium) et l'épaisseur de la couche est limitée par les techniques de dépôt. Mais si les couches étaient eectivement bien transparentes, on aurait le contrôle du trajet optique de la lumière par l'optimisation de la microstructure de la couche. Ainsi, on pourrait augmenter l'absorption dans la couche de conversion en optimisant le trajet optique l de la lumière bleue dans la couche de conversion. Ce concept simple n'est cependant pas trivial à mettre en oeuvre.
e
)
exp(
1
1e
A
A
21exp(l)
cos 3e l (a) (b) Figure 4.14 Schéma illustrant le trajet optique de la lumière bleue d'excitation dans la couche de conversion (a) sans optimisation de l'injection, (b) avec optimisation de l'injection pour augmenter latéralement le trajet optique de la lumière bleue dans la couche.
Nous avons tenté de tirer pro t de la directionnalité de l'émission d'une LED à cristal photonique (PC-LED) pour coupler e cacement la lumière émise par la PC-LED dans la couche de conversion. La structure est également susceptible d'extraire la lu- mière jaune émise dans la couche si les modes guidés correspondants recouvrent aussi le cristal photonique. L'idée est de pouvoir contrôler complètement le trajet optique des lumières bleues et jaunes pour optimiser à la fois leur extraction (approche similaire à celle développée dans le chapitre 2) mais aussi l'injection de la lumière bleue dans la couche de conversion et donc son absorption.
Des dépôts de 5 µm d'épais ont été eectués par pulvérisation sur des plaquettes de PC- LED structurées en profondeur dans le GaN13 ou en surface14. La gure 4.15 présente
les cartes d'électroluminescence I(λ, θ) d'une PCLED structurée en profondeur avant et après dépôt de la couche de YAG:Ce ( gures a et b respectivement). On observe que la présence de la couche de YAG:Ce modi e le diagramme d'émission et fait disparaître la
11. Valeur mesurée par Christophe Dujardin au LPCML à Lyon.
12. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl-rd-roundtable-report_jan11.pdf 13. Embedded diodes réalisées à UCSB par ELison Matioli.
signature des modes diractés dans le bleu par le cristal photonique. La carte correspon- dante dans la gamme jaune du spectre n'est pas représentée ici puisqu'elle est quasiment identique à la gure 4.13 : en particulier, on note qu'aucune bande de diraction n'est observée dans la composante jaune du spectre. Elle n'est donc pas extraite par le CPh de la diode. Des résultats similaires ont été également obtenus dans le cas de PCLED structurées en surface. Dans les deux cas, le rapport entre les lumières jaune et bleue émises par ces PCLED recouvertes de YAG:Ce est équivalent (environ 4 %) à celui des mêmes diodes non structurées et recouvertes de YAG:Ce (cf. partie 4.3.3). Ceci dit, il s'agissait là de tests préliminaires réalisés sur des diodes dont la structure a été calculée pour extraire e cacement la lumière bleue dans l'air. Elle ne sont donc pas spécialement optimisées pour fonctionner en con guration diode blanche et pour injecter la lumière bleue à un angle particulier dans une couche d'indice 1,8. Pour aller plus loin dans ce sens, une évaluation, par le calcul, du type de géométrie optimale pour augmenter le trajet latéral de la lumière bleue dans la couche de conversion (et extraire e cacement les lumières bleue et jaune hors du sytème) sera nécessaire.
(a) (b)
angle (°) angle (°)
Figure 4.15 (a) Carte d'électroluminescence d'une diode à cristal photonique, les bandes de dirac- tion, signatures de l'extraction par le CPh sont visibles. (b) Carte de la même diode après dépôt par pulvérisation d'une couche de YAG:Ce (attention, l'échelle verticale n'est pas identique sur les deux gure : le décalage vertical du spectre provient uniquement du fait que le réseau n'a pas été centré sur la même longueur d'onde pour les deux mesures.)
Notre but est de contrôler les propriétés de diusion des couches de conversion de lumière pour la génération de lumière blanche. Pour ce faire, rappelons que la démarche consiste à séparer la partie émission de la partie propagation et extraction de la lumière. Nous avons étudié des couches de conversion à base de nanoparticules dont la petite taille ne contribue idéalement pas à la microstruc- ture diélectrique de la couche et ne perturbe pas les processus de propagation lumineuse. L'élaboration de ces couches a constitué la première étape de notre étude sur les diodes blanches. Dans un premier temps, nous avons réalisé des couches sol-gel TiO2 chargées en YAG:Ce. Les couches ainsi obtenues sont de
bons guides d'ondes (elles ne diusent pas). L'optimisation de la microstructure des couches par la structuration de leur surface, qui a été étudiée sur des couches modèles dans le chapitre 2, a donc pu être utilisée. Cependant, ces couches ab- sorbent trop peu pour pouvoir être utilisées comme couches de conversion : lorsqu'elles sont déposées sur diode, la contribution jaune n'est pas détectable sans optique adéquat.
Nous avons ensuite utilisé la méthode de pulvérisation pour densi er les couches en YAG et atteindre des épaisseurs de plusieurs microns. La diusion de ces couches n'est pas parfaitement contrôlée et elles sont trop rugueuses pour être structurées selon la méthode d'embossage développée dans le chapitre 2. Elles ont malgré tout été déposées sur diode : le signal jaune est détecté même s'il ne constitue que quelques pour cent de la lumière émise par le système. Dans le même temps, ces couches ont été déposées sur des diodes à cristal photonique a n d'optimiser l'injection du bleu dans la couche de conversion et d'augmenter son absorption en contrôlant le trajet optique de la lumière bleue dans la couche. Il ne s'agissait là que de tests préliminaires et des calculs approfondis sont néces- saires pour déterminer la géométrie idéale.
N'ayant pas encore tous les outils en main pour aller au bout de la stratégie initiale (couches non diusantes, contrôle du trajet optique de la lumiere d'excitation et de l'extraction des lumières émises par la microstructure du système), les nanoparticules optimisées dans le chapitre 3 ont été utilisées pour réaliser une diode dont la con guration est plus proche du système conventionnel.