Étude de l'effet du courant et de la température sur la dégradation des diodes électroluminescentes blanches à haute intensité

ETUDE DE L'EFFET DU COURANT ET DE LA

TEMPÉRATURE SUR LA DÉGRADATION DES

DIODES ÉLECTROLUMINESCENTES BLANCHES À

HAUTE INTENSITÉ

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en physique pour l'obtention du grade de maître es science (M.Sc.)

DEPARTEMENT DE PHYSIQUE, DE GENIE PHYSIQUE ET D'OPTIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET GÉNIE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2011

Résumé

Les diodes électroluminescentes ont le potentiel pour réduire considérablement la consommation électrique nécessaire pour l'éclairage. De plus, leur longue durée de vie laisse entrevoir des sources lumineuses ne nécessitant pas de remplacements fréquents. Par contre, plusieurs défis restent à régler si les diodes électroluminescentes veulent répondre aux promesses d'économie d'énergie et de longue durée de vie des fabricants. Il est donc nécessaire de réaliser des tests indépendants sur les diodes pour vérifier le bien-fondé de telles affirmations.

Pour cela, trois tests de vieillissement accélérés ont été réalisés sur deux modèles de diodes et comparés à un échantillon témoin alimenté selon les recommandations des fabricants. L'objectif de ces tests est de vérifier l'effet sur les diodes d'un entreposage à température élevée et du fonctionnement avec un courant élevé incluant ou non un contrôle de température. Cela permet d'isoler l'effet des différents paramètres d'utilisation tout en étudiant si ceux-ci accélèrent la dégradation des propriétés des diodes électroluminescentes. Il appert que le mode de dégradation des diodes est différent pour chaque modèle, ce qui rend la mise en place d'un modèle global est difficilement envisageable.

Abstract

Light-emitting diodes have the potential to significantly reduce electrical consumption needed for lighting. Their long life gives hope for light sources that do not need frequent replacement. However, many problems still need to be solved if light-emitting diodes want to attain the promises of energy saving and long lifetime of the manufacturers. So, there is a need for independent testing of the diodes to confirm claims written on the datasheet.

So, three different accelerated life tests were carried on two different types of light-emitting diodes. The results were compared to a reference sample used under the guidance of the manufacturers. The objective of these tests is to verify the effect on the diodes of high temperature storage and high current injection with or without heat control. This allows extraction of the influence of each specific parameter on the diode's degradation and, at the same time, to determine if the accelerated degradation is proportional to the increase in the operating conditions. It seems that the degradation pattern is different for each light-emitting diode model, which will cause problems for the development of a global degradation model.

Remerciements

Avant d'aborder le projet de recherche mené dans le cadre de ma maîtrise, je souhaite remercier tous ceux qui m'ont aidé, que ce soit par un support technique ou moral. Ce travail n'aurais pas été possible sans leur aide.

Plus particulièrement, je désire évidemment remercier mon directeur Simon Thibault, qui m'a encadré de la meilleure façon possible durant ces 18 mois. En effet, sa disponibilité pour ses étudiants combinée à la grande liberté qu'il nous laisse pour la réalisation de notre projet permet de nous développer professionnellement.

Dans le même ordre d'idée, je veux remercier tous les membres du groupe de recherche pour leur aide technique. Ils permettent aussi de détendre l'atmosphère lorsque le projet n'avance pas aussi bien que voulu. Aussi, je souhaite remercier tous les techniciens et employé(e)s administratifs du COPL. Leur présence a été essentielle à l'avancement de mon projet de maîtrise.

Plus personnellement, je suis très reconnaissant du soutien de tous les membres de ma famille. C'est merveilleux d'être appuyé dans ses choix et je sais que vous êtes toujours derrière moi.

Résumé i Abstract ii Remerciements iii

Table des matières iv Liste des tableaux vi Liste des figures vii Introduction 1 1. Propriétés physiques, électriques et optiques des DELs 4

1.1. Physique de l'émission de la lumière 4

1.1.1. Recombinaison radiative 4 1.1.2. Recombinaison non radiative 5 1.2. Variabilité à l'intérieur d'un ensemble de DELs 7

1.3. Caractéristiques électriques 8 1.4. Résistance thermique 9 1.5. Caractéristiques optiques 10

1.5.1. Cône de lumière et patron d'émission 10 1.6. Photométrie et perception des couleurs 12

1.6.1. Flux lumineux 12 1.6.2. Coordonnées x-y 14 1.6.3. Température de couleur corrélée (CCT) 16

2. Revue de littérature sur la dégradation des DELs 17

2.1. Enveloppe de la jonction 17

2.2. Jonction p-n 18 2.3. Modèles de dégradation du flux lumineux 19

2.4. Synthèse 21 3. Méthode expérimentale 22

3.1. Modèles de DELs 22 3.2. Types de mesures 25 3.3. Erreur et répétabilité de la mesure 26

3.4. Circuit électrique 26 4. Test de dégradation accélérée 29

4.1. Mesures de référence (plaques #10) 29 4.2. Dégradation causée par la température (plaques #7 et #9) 33

4.2.1. Résultats du test 34 4.2.2. Facteur d'accélération 41 4.3. Dégradation causée par le courant (plaques #1, #2 et #3) 43

4.3.1. Résultats du test 44 4.3.2. Facteur d'accélération 57 4.4. Dégradation causée par le courant et la température (plaques #4, #5 et #6) 59

4.4.1. Résultats de l'expérience 60 4.4.2. Facteur d'accélération 73 5. Évolution du profil d'émission 76

Conclusion 80 Bibliographie 83

Tableau 1.1 Quelques semi-conducteurs utilisés pour les DELs avec l'énergie de la bande interdite. *InGaN couvre une plage correspondant à l'ensemble du spectre visible.

Par contre, il est essentiellement utilisé pour l'ultraviolet, le bleu et le vert 4 Tableau 3.1 : Synthèse des caractéristiques électriques, optiques et thermiques des DELs

utilisées 22 Tableau 3.2 : Caractéristiques des tests de dégradation dans l'expérience sur les DELs. Le

courant injecté, la température de la plaque de cuivre ainsi que la température

ambiante sont présentés 24 Tableau 4.1 : Accélération du processus de dégradation des diodes par l'entreposage

à haute température après 1000 heures 42 Tableau 4.2 : Accélération du processus de dégradation des diodes

par l'entreposage à haute température après 200 heures 43 Tableau 4.3 : Température produite à la jonction par le courant injecté dans les DELs 44

Tableau 4.4 : Accélération du processus de dégradation des diodes par l'alimentation

avec un courant élevé et un contrôle actif de la température après 1000 heures 58 Tableau 4.5 : Accélération du processus de dégradation des diodes par l'alimentation

avec un courant élevé et un contrôle actif de la température après 200 heures 59 Tableau 4.6 : Température produite à la jonction par le courant injecté

dans les DELs sans contrôle de la température 60 Tableau 4.7 : Accélération du processus de dégradation des diodes par l'alimentation

avec un courant élevé sans contrôle de la température après 1000 heures 74 Tableau 4.8 : Accélération du processus de dégradation des diodes par l'alimentation

vu

Liste des figures

Figure 1.1: Image de cathodoluminescence d'une surface de GaAs. Les points noirs

représentent des centres de recombinaisons non radiatifs. [Schubert, p.39] 6 Figure 1.2 : Variabilité des paramètres initiaux d'un groupe de DELs.

Il y a d'abord l'intensité émise, la coordonnée x et la coordonnée y. [Burmen, 2008] ..7 Figure 1.3 : Variabilité du processus de dégradation pour chaque paramètre des DELs.

De gauche à droite, il y a d'abord l'intensité, la coordonnée x et la coordonnée y.

[Burmen, 2008] 8 Figure 1.4 : Courbe courant-voltage typique d'une diode électroluminescente.

Une méthode pour déterminer la résistance série est aussi illustrée. [Schubert, p.68] ...9 Figure 1.5 : Courbes de réponse de l'œil en vision photopique (en bleu)

et scotopique (en rouge) normalisées par rapport à la courbe photopique 12 Figure 1.6 : Courbe de sensibilité des cônes l'œil pour les

trois couleurs primaires en coordonnées!, y et! . [Schubert, p.293] 14 Figure 1.7 : Espace des couleurs représentées à l'aide des

coordonnées chromatiques x-y 15 Figure 3.1: Les diodes utilisées dans l'expérience sont montées sur des plaques de cuivre.

Le modèle Nichia est à gauche et le modèle OSRAM est à droite 23 Figure 3.2: Schéma du circuit électrique utilisé pour l'alimentation des DELs.

La surface grise représente les contrôleurs de température 28 Figure 4.1 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 350 mA.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 30 Figure 4.2 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 350 mA.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 32 Figure 4.3 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 350 mA.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 33 Figure 4.4 : Évolution du flux lumineux des DELs mises au four à 170°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 35 Figure 4.5 : Évolution du flux lumineux des DELs mises au four à 150°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 36 Figure 4.6 : Évolution des coordonnées x-y des DELs mises au four à 170°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 37 Figure 4.7 : Évolution des coordonnées x-y des DELs mises au four à 150°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 38 Figure 4.8 : Évolution de la courbe I-V des DELs entreposées au four à 170°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 40 Figure 4.9 : Évolution de la courbe I-V des DELs entreposées au four à 150°C.

Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 41 Figure 4.10 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 1000 mA avec un contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 46 Figure 4.11 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 1000 mA avec un

contrôle actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles

Figure 4.12 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 1000 mA avec un contrôle actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 49 Figure 4.13 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 800 mA avec un contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 50 Figure 4.14 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 800 mA avec un

contrôle actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles

d'OSRAM 51 Figure 4.15 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 800 mA avec un contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 53 Figure 4.16 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 500 mA avec un contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 54 Figure 4.17 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 500 mA avec un

contrôle actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles

d'OSRAM 55 Figure 4.18: Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 500 mA avec un contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 56 Figure 4.19 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 1000 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 61 Figure 4.20 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 1000 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 63 Figure 4.21 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 1000 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 64 Figure 4.22 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 800 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 66 Figure 4.23 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 800 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 67 Figure 4.24 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 800 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 68 Figure 4.25 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 500 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 70 Figure 4.26 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 500 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 71 Figure 4.27 : Évolution de la courbe I-V des DELs alimentées à 500 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 72 Figure 5.1 : Évolution du profil d'émission des DELs alimentées à 1000 mA avec contrôle

actif de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM. 77 Figure 5.2 : Évolution du profil d'émission des DELs alimentées à 1000 mA sans contrôle

de la température. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM 77 Figure 5.3 : Évolution du profil d'émission des DELs entreposées au four à 170°C.

IX Figure 5.4 : Évolution du profil d'émission des DELs entreposées au four à 150°C.

L'éclairage est un élément essentiel à l'activité économique dans notre société moderne. À tous les jours, les gens ont besoin de lampes au travail, à la maison et même pour l'éclairage des routes. Cependant, cet éclairage consomme beaucoup d'électricité qui est souvent produite par des centrales thermiques polluantes. C'est pour cette raison qu'une solution permettant de réduire la consommation énergétique est souhaitable d'un point de vue économique et environnemental.

L'ampoule incandescente est la méthode dominante utilisée pour l'éclairage depuis plus d'une centaine d'années malgré une efficacité atteignant à peine 17 lumens par watt [Narendran, 2001]. Depuis ce temps, de nouvelles solutions plus efficaces telles que les tubes fluorescents et les lampes au sodium à haute pression (HPS) sont apparues. Avec une efficacité atteignant 80 lumens par watt [Kim, 2008], ces lampes peuvent par contre être encore améliorées. Aujourd'hui, de nouvelles sources d'éclairage permettant de réduire la consommation électrique et du même coup la production de gaz à effet de serre sont par contre disponibles autant pour l'éclairage commercial que pour l'éclairage résidentiel. Une étude de l'Université de Pittsburgh [Hartley, 2009] a conclu que le remplacement des 40000 ampoules HPS des mes de la ville par des nouvelles technologies permettrait d'économiser 1,7 million de dollars annuellement en énergie et en manutention. Un autre avantage de ces nouvelles sources de lumière est le potentiel d'une durée de vie très longue comparativement aux ampoules incandescentes. Parmi ces sources de lumière, la plus prometteuse est sans contredit la diode électroluminescente (DEL) blanche à haute intensité.

Autrefois utilisées uniquement comme indicateurs sur des panneaux de contrôle, les DELs trouvent aujourd'hui des applications dans plusieurs domaines tels que les panneaux de signalisation routière, les phares d'automobile ou les lampes dans la maison. Nous avons maintenant la possibilité de produire des DELs émettant autant de lumière que des ampoules incandescentes tout en consommant une fraction de l'énergie de celles-ci. En

effet, leur efficacité maximale théorique est de 320 lumens par watt [Kim, 2008] alors qu'il est envisageable d'atteindre 213 lumens par watt [Kim, 2008] pour une utilisation réelle.

Puisque les DELs à haute intensité sont relativement récentes, les études de fonctionnement à long terme sont encore peu nombreuses. De plus, la durée de vie de ces nouvelles sources de lumière ne peut pas être évaluée de la même manière que pour les ampoules incandescentes. En effet, les DELs ne brûlent pas spontanément: elles subissent plutôt une lente diminution du flux lumineux émis au cours du temps. La référence la plus utilisée pour évaluer la durée de vie est la norme LM-80 qui stipule qu'une DEL cesse d'être utilisable lorsque son flux lumineux atteint 70% de sa valeur initiale. Les manufacturiers promettent donc des durées de vie pouvant atteindre 100000 heures en se basant sur cette norme. Cela rend pratiquement impossible la réalisation d'un test de durée de vie puisque celle-ci dépasse le cycle de vie du produit pour lequel le test a été conçu. Il faut donc accélérer le vieillissement de la DEL et voir l'effet causé sur ses caractéristiques, ce qui inclut le flux lumineux et le spectre d'émission.

L'objectif de ce projet de recherche est d'étudier les modes de dégradations présents dans les DELs en réalisant des mesures expérimentales sur celles-ci. Différents modes de dégradation ont été utilisés afin de vérifier certaines hypothèses proposées dans la littérature, soit une température ambiante élevée sans alimentation, une température interne élevée dépendant du niveau d'alimentation et une température interne élevée contrôlée pour différents niveaux d'alimentation [Burmen, 2008]. Il sera aussi possible de déterminer à quel point la durée de vie est affectée par des tests de dégradation accélérée, ce qui permet de vérifier la pertinence de tels tests. En effet, ces tests accélérés sont utilisés par les fabricants pour fournir des données sur les produits aux clients. Il est essentiel de s'assurer que les données extraites de ces tests sont valables lors de l'utilisation des DELs dans des produits vendus commercialement. À moyen terme, il serait aussi éminemment souhaitable de développer un modèle global de dégradation et de durée de vie pour les DELs. Ce projet de recherche sert donc à établir certaines bases pour la mise en place d'un tel modèle.

La première partie de ce mémoire se penche sur les caractéristiques propres aux diodes électroluminescentes. Cela inclut les principes permettant de produire de la lumière à la jonction p-n, la variabilité inhérente entre les diodes d'un même paquet acheté d'un

un tour d'horizon des travaux effectués par d'autres groupes sur la dégradation des DELs permettra de situer l'état de la recherche dans le domaine. En effet, plusieurs raisons pouvant expliquer la diminution du flux lumineux et le changement de couleur des DELs ont été avancées par différents groupes à travers le monde.

La deuxième partie du mémoire présentera l'expérience de dégradation accélérée des diodes électroluminescentes blanches à haute intensité. Tout d'abord, le montage réalisé sera décrit ainsi que les types de mesures effectuées sur les diodes. Ensuite, les résultats obtenus pour les deux modèles de diodes seront présentés et accompagnés d'une discussion sur l'implication de ceux-ci. Cela va de la validité des données techniques fournies par les fabricants de diodes jusqu'à la justification de la durée de vie théorique. En effet, une diode électroluminescente installée dans une lampe et dont la vie est censée s'étendre sur 100000 heures sans modification de ses caractéristiques peut être un bon investissement. Par contre, si la durée de vie réelle est plutôt de 70000 heures et qu'il faut effectuer un entretien trois fois plus fréquent que prévu initialement, est-ce que l'utilisation des DELs est toujours un bon investissement? La réponse à ces questions est essentielle pour assurer la croissance du marché des DELs dans notre environnement immédiat. Le document sera conclu par quelques recommandations pour aider à orienter la poursuite des recherches sur la dégradation des diodes électroluminescentes au sein du laboratoire.

1. Propriétés physiques, électriques et optiques des DELs

Les diodes électroluminescentes (DELs) sont basées sur la physique des semi-conducteurs. Elles possèdent des caractéristiques électriques propres aux diodes tout en ayant la capacité d'émettre de la lumière quasi monochromatique. En ajoutant une couche de phosphore sur la surface, il est aussi possible d'obtenir de la lumière blanche. Toutes ces particularités des DELs seront abordées dans ce chapitre.

1.1. Physique de rémission de la lumière

Une diode électroluminescente est une combinaison de deux matériaux semi-conducteurs dont un est dopé n et l'autre est dopé p. Lorsqu'on colle ces deux matériaux ensemble, une zone déplétée est formée. Cette zone correspond à la région émettant la lumière. L'injection de courant dans ce circuit produira une dérive d'électrons et de trous dans la zone déplétée. La différence d'énergie entre les électrons et les trous a la valeur de la bande interdite du conducteur. Le tableau 1.1 présente une liste de matériaux semi-conducteurs couramment utilisés ainsi que la valeur de la bande interdite correspondante.

Tableau 1.1 Quelques semi-conducteurs utilisés pour les DELs avec l'énergie de la bande interdite. *InGaN couvre une plage correspondant à l'ensemble du spectre visible.

Par contre, il est essentiellement utilisé pour l'ultraviolet, le bleu et le vert.

Matériel Energie du gap (eV)

GaAs 1,42 InN 1,90 GaP 2,26 GaN 3,40 InGaN* 1,90-3,40

1.1.1. Recombinaison radiative

D existe deux types de recombinaisons provoquant l'émission de lumière à la jonction p-n des DELs. Il y a d'abord la recombinaison spontanée, qui produit une lumière

recombinaison spontanée est donné par l'équation 1 [Maciejko, p. 196] :

Rspon,=P(np-n0p0) (1)

où n et p sont les densités de porteurs dans la jonction, no et po sont les densités de porteurs à l'équilibre thermodynamique tandis que p est le coefficient de recombinaison spontanée. C'est ce type de recombinaison qui domine dans les diodes électroluminescentes.

À la jonction p-n, il peut aussi y avoir des recombinaisons stimulées. Les photons émis dans ce cas sont alors cohérents et quasi-monochromatiques. Le taux de recombinaison stimulée à la jonction des semi-conducteurs est donné par l'équation 2 [Maciejko, p. 196] :

R*m U t=8(n,py9 (2)

où g(n, p) représente le gain et O correspond au flux de photons à l'intérieur du laser. Ce type de recombinaison est principalement présent dans les diodes laser et est très faible dans les diodes électroluminescentes.

1.1.2. Recombinaison non radiative

Il existe également à l'intérieur de la jonction deux autres types de recombinaisons qui sont dites non radiatives car l'énergie est émise sous forme de vibrations du réseau cristallin. Ces recombinaisons ne sont pas souhaitables dans une diode électroluminescente car elles diminuent l'intensité lumineuse émise pour un courant injecté donné.

Le premier type de recombinaison non radiative est appelé Shockley-Read-Hall. Elle est causée par la présence de défauts ou d'impuretés dans le cristal qui créent un état intermédiaire dans la région interdite du diagramme de bande du semi-conducteur. Ces sites dans la matrice du cristal peuvent capter ou émettre des porteurs conduisant à des recombinaisons sans émission de photons. Un seul défaut dans la matrice sera difficilement observable dû à sa petite taille. Par contre, ces défauts ont tendances à se regrouper pour former des sites étendus, ce qui rend leur observation plus facile. L'effet de ces défauts

étendus sont illustrés à la figure 1.1. La valeur du taux de recombinaison Shockley-Read-Hall est donnée par l'équation 3 [Maciejko, p. 199] :

R np-n0Po

SRH

Tp(n + n0) + T„(p + p0)

(3)

où n et p sont les densités de porteurs dans la jonction, no et po sont les densités de porteurs à l'équilibre thermodynamique alors que T„ et xp sont les temps de vie de ces porteurs.

• •

f

• * • •

f

• ua/\s i* *i 7=295 K lOpim

Figure 1.1: Image de cathodoluminescence d'une surface de GaAs. Les points noirs représentent des centres de recombinaisons non radiatifs. [Schubert, p.39]

La recombinaison Auger est le deuxième type de recombinaison non radiative à la jonction du semi-conducteur. Elle est particulièrement présente lorsque l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur est faible. La recombinaison Auger provient d'une capture par un électron ou un trou de l'énergie émise lors d'une recombinaison spontanée ou stimulée. Si le porteur captant l'énergie est un électron, on parle d'une recombinaison Auger de type CHCC tandis que s'il s'agit d'un trou, on parle de type CHSH. Le porteur qui capte l'énergie se retrouve alors dans un état excité de la bande de conduction ou de valence avant de perdre son énergie par des interactions avec le réseau cristallin ou avec d'autres porteurs libres. Le taux de recombinaison Auger dans une jonction p-n est donné par l'équation 4 [Maciejko, p. 199] :

à l'équilibre thermodynamique tandis que cn et cp sont des coefficients qui sont associés aux recombinaisons Auger de type CHCC et CHSH.

1.2. Variabilité à l'intérieur d'un ensemble de DELs

Lors de la fabrication, différents processus peuvent modifier les caractéristiques finales des diodes électroluminescentes produites. La tolérance des composantes acceptée par les manufacturiers introduit une variabilité des paramètres à l'intérieur d'un paquet de diodes. Ainsi, une plage de valeur pour chaque paramètre est utilisée et les diodes sont séparées en groupes selon leurs caractéristiques telles que la tension directe, les coordonnées de couleur et le flux lumineux. La figure 1.2 donne un exemple du niveau de variabilité présent dans un échantillon de DELs. Il est donc nécessaire de caractériser chaque diode indépendamment et de normaliser les résultats subséquents par rapport à cette caractérisation.

1 m 1

s

[^fcJ

,;

Li J

0 6 °'8 l0 U [ A 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33

Figure 1.2 : Variabilité des paramètres initiaux d'un groupe de DELs. Il y a d'abord l'intensité émise, la coordonnée x et la coordonnée y. [Burmen, 2008]

Cette variabilité est aussi présente dans le processus de dégradation de ces mêmes caractéristiques. L'ampleur de cette variation entre plusieurs DELs identiques provenant du même paquet est illustrée à la figure 1.3. Puisqu'il y a une variabilité dans les caractéristiques et dans les processus de dégradation des DELs, il est essentiel d'en tester plusieurs à la fois afin de pouvoir faire des statistiques et d'extraire des tendances

générales. Plus l'échantillon testé est important, meilleures seront les prédictions générales sur la dégradation des diodes.

1.4 1.2 1.0 /,0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Ôf

ïôjjftâ.

T - i

T ' h

-, T T T

Figure 1.3 : Variabilité du processus de dégradation pour chaque paramètre des DELs. De gauche à droite, il y a d'abord l'intensité, la coordonnée x et la coordonnée y. [Burmen, 2008]

1.3. Caractéristiques électriques

Tel que vu à la section 1.1, une diode électroluminescente est d'abord une jonction p-n. L'expression du courant en fonction de la tension appliquée dans une diode de largeur A est donnée par l'équation 5 [Schubert, p.61] dite de Shockley dans des conditions normales de polarisation directe :

I = eA (5)

où Dnp sont les constantes de diffusion des électrons-trous et Tn>p sont les temps de vie de ces porteurs minoritaires. NA et ND sont respectivement les concentrations de donneurs et d'accepteurs. Le terme exponentiel fait apparaître une augmentation brusque du courant lorsque la tension VQ est atteinte, appelée tension seuil. La valeur de VD dépend essentiellement de l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur formant la diode tel que présenté dans le tableau 1.1. La courbe obtenue a une forme caractéristique telle qu'illustrée à la figure 1.4.

I

^ +— l c I V I t

_t

=3 _i o Slope = 0

_J\

0 \ ■ • • i 0 _{Diode voltage V}

Figure 1.4 : Courbe courant-voltage typique d'une diode électroluminescente. Une méthode pour déterminer la résistance série est aussi illustrée. [Schubert, p.68]

Cette courbe présente aussi une manière d'extraire la résistance série interne de la diode. En effet, la partie linéaire avec V>Ega/e a une pente correspondant à l'inverse de la valeur de la résistance série de la diode. Cette résistance série peut être causée par divers mécanismes à l'intérieur de la diode, les principaux connus étant :

• La résistance des contacts électriques (microsoudures, etc.) • La résistance causée par une importante hétérostructure

• La résistance intrinsèque des matériaux, particulièrement lorsque les porteurs de charges ont une faible mobilité dans ces matériaux

Il est possible d'évaluer l'évolution de la résistance série d'une diode en fonction des paramètres de dégradation en mesurant la courbe courant-voltage de façon régulière au cours de la durée de la vie.

1.4. Résistance thermique

Puisque le produit IV est non nul à la jonction, la DEL produit une certaine quantité de chaleur. Cette chaleur doit être évacuée vers l'extérieur de la meilleure façon possible par un dissipateur de chaleur construit à même l'emballage de plastique de la diode. Le dissipateur de chaleur, qui relie la jonction aux pattes externes, possède une résistance

10

thermique qui est propre à chaque modèle de DEL et est spécifiée par le fabricant. Pour les DELs à haute intensité utilisées dans cette expérience, qui sont conçues pour évacuer beaucoup de chaleur, la résistance thermique est de 11 kelvins par watt pour le modèle d'OSRAM [OSRAM LUW W5AM, p.3] et de 15 kelvins par watt pour le modèle de Nichia [Nichia STS-DA1-0663, p.5].

La résistance thermique est utilisée pour calculer la température de la jonction selon la température ambiante et la puissance injectée (I*V) dans la diode [Nichia STS-DA1-0663, p.5]. L'équation 6 présente la méthode pour calculer cette température :

T = T + R P (6)

jonction pattes ja v '

où Tjonction et Tpattes sont respectivement la température de la jonction p-n et la température de la plaque de cuivre sur laquelle les diodes sont montées. Aussi, Rja est la résistance thermique entre la jonction et les pattes de la diode alors que P représente la puissance injectée.

1.5. Caractéristiques optiques

Les diodes électroluminescentes à base d'InGaN étudiées dans ce projet émettent de la lumière dans le spectre bleu partiellement transformée par une couche de phosphore, ce qui produit de la lumière blanche. Le type de phosphore le plus couramment utilisé pour les DELs à base de GaN est le « cerium doped yttrium aluminium garnet » (YAG : Ce) [Narendran, 2004].

1.5.1. Cône de lumière et patron d'émission

La lumière produite dans le semi-conducteur doit pouvoir être extraite si on veut avoir une bonne efficacité globale pour la DEL. Un problème qui se pose est que l'indice de réfraction élevé du semi-conducteur, qui est dans la plage 2.2 à 3.0 selon la proportion de chaque constituant de FlnGaN [Anani, 2007], cause une réflexion totale-interne à l'interface avec l'air. Par la loi de Snell-Descartes, nous obtenons l'équation 7 [Schubert, p.91] pour l'angle critique (puisque celui-ci est petit, sin(Oc) ~ Oc):

S > « ^ (7)

où nairet ns sont respectivement les indices de réfraction de l'air et du semi-conducteur. Cet angle faible forme un cône d'où la lumière peut s'échapper du semi-conducteur. En intégrant sur la surface sous-tendue par cet angle critique, nous obtenons l'équation 8 [Schubert, p.93], qui donne la proportion de la lumière produite qui s'échappe effectivement d'une DEL à surface plane :

- 2

1sortie _. \ n"i r ZO\

p A ~2

source n s

où nairet nssont respectivement les indices de réfraction de l'air et du semi-conducteur. Il est aussi possible de calculer l'intensité émise dans l'air en fonction de l'angle d'observation pour une DEL à surface plane. Il suffit de transformer l'expression du flux en fonction de l'angle en équation différentielle. L'intensité en W/m2 à une distance r du semi-conducteur correspond à la puissance de la source divisée par la surface de la sphère produite à cette distance r. Nous obtenons ainsi l'équation 9 [Schubert, p.95], qui correspond à un profil d'émission lambertien produit par une DEL à surface plane :

—2

j 5 a a . ^ .

c o s ç

,

(9)

4*r n s

où nairet «ssont respectivement les indices de réfraction de l'air et du semi-conducteur alors que cp est l'angle par rapport à la normale de la surface de la diode. D'autres patrons d'émissions peuvent être produits avec des DELs non planes. De plus, il est aussi possible d'augmenter la proportion de lumière qui s'échappe du système en utilisant un dôme d'époxy qui diminue la réflexion totale interne à l'interface avec le semi-conducteur [Nuese, 1969]. En utilisant un dôme d'époxy ayant un indice de réfraction de 1.5, l'extraction de lumière peut être augmentée par un facteur de 2 à 3 [Schubert, p.97].

12

1.6. Photométrie et perception des couleurs

La photométrie est une science basée sur la mesure de la lumière dans le spectre visible. Les DELs étant utilisées pour l'éclairage, il est inévitable que la photométrie entre en jeu lorsqu'on veut mesurer leurs caractéristiques optiques. Les mesures photométriques sont basées sur la courbe de réponse de l'œil, qui dépend de la longueur d'onde. Cette réponse dépend aussi du niveau de luminosité, soit la différence entre le jour et la nuit. La figure 1.5 montre la réponse différente de l'œil pour les deux régimes. La courbe photopique provient de la norme de la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) V(X) 1931. Des mises à jour de cette courbe ont été proposées depuis mais cette version demeure largement répandue. Pour sa part, la courbe de vision scotopique provient de la norme V'(X.) CIE 1951. La figure 1.5 montre que notre œil est beaucoup plus sensible en vision de nuit, malgré le fait qu'il ne peut alors discerner les couleurs.

2.5 Spectres scotopique et photopiques normalisés

2

-1.5 ■

1 ■

0.5 •

°300 400 500 600 700 800 900

Figure 1.5 : Courbes de réponse de l'œil en vision photopique (en bleu) et scotopique (en rouge) normalisées par rapport à la courbe photopique.

1.6.1. Flux lumineux

Le flux lumineux est exprimé en lumen, dont la définition du CIE est la suivante : « une source monochromatique émettant une puissance lumineuse de ( 1/683) watt à 540

THz à un flux lumineux de 1 lumen ». Le flux lumineux peut être mesuré de deux manières différentes et équivalentes. Il est à noter que les deux techniques peuvent difficilement être utilisées pour la prise de mesures absolues car cela demande une trop grande précision si on veut obtenir un résultat ayant une bonne exactitude. Par contre, en s'intéressant à la valeur relative du flux lumineux, il devient beaucoup plus aisé d'utiliser ces deux techniques en laboratoire. La première méthode utilise un goniophotomètre qui mesure la distribution d'éclairement lumineux E(0, (p) autour de la source. Le goniophotomètre balaie l'espace autour de la diode et le flux lumineux peut ensuite être calculé à partir de l'équation 10 [DeCusatis, p.79]:

2K n

4> = r2 J J£(0, <j>) sin OdOdQ (10)

o o

où r est le rayon de la surface balayée par le photomètre. Cette méthode a l'avantage de mesurer le profil d'émission de la DEL, qui dépend de la méthode de fabrication du modèle particulier.

La deuxième façon de prendre une mesure relative du flux lumineux consiste à recueillir la lumière produite par la DEL à l'aide d'une sphère d'intégration reliée à un spectromètre. Le spectromètre mesure le spectre d'émission de la DEL en fonction de la longueur d'onde. Le flux en lumens peut ensuite être calculé à partir de l'équation 11 [DeCusatis, p.38] :

®=K

m

\*ejya)dA (ID

où Oe,A. est la densité spectrale de puissance en W/hm et V(X,) est la courbe de vision photopique de l'œil. La constante Km correspond au maximum de la courbe et a une valeur de 683 lnVW. Si on souhaite calculer l'équivalent du flux lumineux pour la vision de nuit produit par une source de lumière dans le régime de vision scotopique, il suffit de remplacer V(A,) par V'(^) et Km par K'm qui a une valeur de 1700 InvW à 507 nm dans l'équation 11.

r

14

1.6.2. Coordonnées x-y

Il peut être difficile de quantifier les couleurs que l'on voit afin de faire une distinction entre celles-ci. La norme CIE 1931 a établi une méthode pour le faire à partir de la courbe de réponse des cônes rouges, verts et bleus contenus dans l'œil. La figure 1.6 illustre cette courbe de sensibilité. La courbe centrale y(Â), qui correspond au vert, a été choisie telle qu'elle est égale à la courbe de sensibilité de l'œil V(k) présentée à la figure 1.5. À partir de ces trois courbes, il est possible de calculer les valeurs X, Y et Z d'une couleur donnée selon les équations 12 à 14 [Schubert, p.294] :

1.8 w 1.6 > ■f 1.2 M 1 1.0 1 0.8 .S 0.6 JB O | 0.4 c JJ 0.2

8 o.o

-

_1931-/\

1 ■ 1 ■ - — -

_1931-/\

1931 and 1978 CIE x y ï color matching functions _{- —}

-/

1931 and 1978 CIE x y ï color matching functions _{- —}

- i \ \

1931 and 1978 CIE x y ï color matching functions _{- —}

- i \ \ - — - _{1978-J \ i}

?=y<Ms\*

-- lr _{/ ■ A \} --

1

A

₁₉₇₈

/ \ \

-Jl

/ / \ \r

1931 -- 1// j f 1 9 7 8T j > f

[ / 193

1 V V --

JC

V V -I i . i , 300 400 500 600 Wavelength X (nm) 700 800

Figure 1.6 : Courbe de sensibilité des cônes l'œil pour les trois couleurs primaires en coordonnées x, y et z. [Schubert, p.293]

X = pc(Z)P(Â)d Y = fi(A)P(A) d k Z = p(Â)P(Â)d (12) (13) (14)

où P(X) est la densité spectrale de puissance du signal observé. Ces trois coordonnées n'apportent pas une représentation évidente de la couleur qu'elles représentent. La CIE a donc créée une transformation vers un autre ensemble de coordonnées x, y et z. Les transformations pour obtenir une représentation avec les coordonnées chromatiques x et y sont présentées aux équations 15 et 16 [DeCusatis, p.351]. La somme des coordonnées x, y et z vaut 1.

x - -_{X+Y + Z} (15)

X+Y + Z (16)

Ces coordonnées chromatiques servent à représenter toutes les couleurs possibles à l'intérieur d'un diagramme, ce qui forme l'espace des couleurs présenté à la figure 1.7. Le point (x, y, z) = (0.333,0.333,0.333) correspond à la lumière blanche.

U . f 520 0.8-. 5 40 0.7 0.7 ■s 60 19oV 500- 0.5-19oV 5S 0 500- 0.5-19oV P 3000 25 0.4 19oV 6000 jJ^ J ^ T ~ ~ r ~ ^ s \ L S J / 2000 150C 0.4 19oV 6000 jJ^ J ^ T ~ ~ r ~ ^ s \ L S J / 2000 150C 0.3 19oV 6000 jJ^ J ^ T ~ ~ r ~ ^ s \ L S J / 2000 150C ma 620 0.3 19oV 6000 jJ^ J ^ T ~ ~ r ~ ^ s \ L S J / 2000 150C 706 6000 jJ^ J ^ T ~ ~ r ~ ^ s \ L S J / 2000 150C JW 4) KM JW A i l JW 0.0- ^460^1 m- , 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 x

Figure 1.7 : Espace des couleurs représentées à l'aide des coordonnées chromatiques x-y.

16

1.6.3. Température de couleur corrélée (CCT)

La température de couleur est un concept permettant d'exprimer la couleur d'une source à l'aide d'un seul chiffre correspondant à la température en kelvins qu'aurait un corps noir produisant le même spectre. Par contre, les diodes électroluminescentes émettent un spectre significativement différent de celui d'un corps noir; on parle alors de température de couleur corrélée ou « Correlated color temperature » (CCT). Cela correspond à la température du corps noir ayant le spectre le plus semblable selon les coordonnées chromatiques. La ligne noire qui croise le centre de l'espace des couleurs présentée à la figure 1.7 représente la position sur le diagramme qu'auraient des corps noirs ayant différentes températures. Un point situé dans la zone jaune-rouge correspond à un corps plus froid tandis que la zone bleue correspond à un corps ayant une température beaucoup plus élevée. Au centre, la ligne passe près du point représentant la lumière blanche (0.333, 0.333) qui est caractérisé par une température d'environ 6000K-7000K. En faisant une transformation vers une représentation de chromaticité uniforme (u, v), les coordonnées chromatiques d'une DEL ne tomberont pas sur cette ligne: la CCT est alors égale au point de la ligne du corps noir ayant la plus petite distance géométrique par rapport à la position de la DEL dans le diagramme chromatique. Cette position est déterminée à l'aide des coordonnées x-y de la diode.

Les diodes électroluminescentes ne brûlent pas subitement contrairement aux ampoules incandescentes. Leurs caractéristiques changent plutôt au cours du temps, ce qui est un problème lorsque l'utilisation atteint plusieurs dizaines de milliers d'heures. Certains éléments ont été soulevés dans la littérature pour expliquer la dégradation des DELs et ce chapitre constitue une synthèse de ces concepts. Les tests de dégradation tirés de la littérature n'ont pas tous été réalisés sur des diodes à haute intensité. Par contre, la méthode de fabrication ainsi que les matériaux utilisés étant assez semblables à celles des diodes utilisées dans l'expérience, les résultats significatifs ont été regroupés par élément constituant des DELs. Ce chapitre est en partie inspiré d'une revue de littérature préalablement effectuée par Burmen en 2008.

2.1. Enveloppe de la jonction

La couche de phosphore employée pour transformer la lumière bleue émise à la jonction p-n en lumière blanche peut se détériorer lorsque soumise à une température élevée [Meneghesso, 2003]. En effet, celle-ci perd alors de son efficacité de conversion, ce qui modifie le spectre émis par la DEL. Il a été montré que le niveau de dégradation observé dépend directement de la température utilisée dans le test [Meneghini, 2009]. Enfin, il a été proposé que la vitesse de la dégradation de la couche de phosphore soit reliée à sa position par rapport à la jonction [Narendran, 2004]. La conclusion de cette étude montre qu'il est avantageux de mettre la couche de phosphore plus loin de la jonction car celle-ci dégrade alors moins rapidement.

En plus de la couche de phosphore, il y a aussi l'époxy qui recouvre la diode qui contribue à la dégradation des propriétés optiques. En effet, la température, particulièrement au-delà de 120°C, cause un jaunissement de la couche d'époxy [Narendran, 2004; Burmen, 2007; Meneghini, 2007] qui modifie les caractéristiques optiques de la DEL. Ce jaunissement a été observé régulièrement dans la littérature et contribue à la diminution du flux lumineux émis par la DEL. En plus du jaunissement,

18 certains groupes ont aussi observé une modification du profil d'émission causé par les rebords de la lentille d'époxy [Tsai, 2008]. En effet, les hautes températures causent une contraction de ce dôme d'époxy situé autour de la jonction [Hsu, 2008]. Il faut aussi mentionner qu'une opinion minoritaire dans la communauté n'attribue aucun lien entre la diminution du flux lumineux et la couche d'époxy [Huang, 2009].

Un effet de la dégradation de la couche de phosphore et du dôme d'époxy est observable dans le spectre de la densité de puissance en fonction de la longueur d'onde. Ainsi, il y a augmentation de la proportion de puissance émise dans le bleu et diminution dans le jaune-rouge [Trevisanello, 2008; Meneghini, 2007 ; Meneghini, 2009]. Cela est en accord avec la diminution de l'efficacité de conversion de la couche de phosphore située au-dessus de la jonction observée dans la littérature.

Finalement, la haute température a un effet sur l'emballage de plastique entourant la jonction p-n. Il y a un noircissement de la surface du plastique [Meneghini, 2007;

Meneghini, 2009], ce qui entraîne une diminution de sa réflectivité et du même coup, de la lumière émise par la diode électroluminescente.

2.2. Jonction p-n

La température a un effet sur une autre partie de la diode électroluminescente, soit la jonction où la lumière est produite. Dans ce cas, ce n'est pas le spectre qui est affecté mais plutôt l'énergie émise qui diminue dans le temps. La raison la plus souvent citée est la création de centres de recombinaison non-radiative [Uddin, 2005; Pursiainen, 2001; Rossi, 2006] à l'intérieur de la jonction p-n. Cela diminue les portions effectives de la diode qui servent à produire de la lumière. La hausse de température à la jonction peut provenir de deux sources, soit la température ambiante ou le courant injecté. En effet, la diode possède une résistance thermique entre la jonction et le milieu ambiant qui contribue au réchauffement interne. Cette résistance thermique doit être diminuée afin de minimiser la dégradation causée par la température. Cela est apparent dans l'équation 6. Dans certaines études, une augmentation de la résistance thermique suite au test de dégradation accéléré a

été observée [Meneghini, 2009]. Cette augmentation de la résistance thermique a été attribuée à un détachement partiel entre la jonction et l'enveloppe.

Le courant appliqué à la diode a aussi un effet sur ses caractéristiques électriques. D'abord, des tests comparatifs de dégradation en courant continu et en courant puisé ont montré que les puises ne modifiaient pas les propriétés électriques des DELs [Meneghini, 2006]. Cela tend à confirmer le fait que la dégradation provient bel et bien de la hausse de la température à la jonction. Une autre observation réalisée par des mesures de dégradation en courant continu est un dommage à l'hétérostructure de la jonction p-n couplée à la formation de d'agrégats de magnésium (Mg) [Pavesi, 2006]. Cela crée un niveau intermédiaire dans la bande interdite diminuant d'autant le flux lumineux émis par la DEL. En effet, ce nouveau chemin créé dans la stmcture de bande pour le passage du courant réduit d'autant la proportion disponible pour produire de la lumière. La formation de ces agrégats de Mg est régulièrement citée pour expliquer la baisse de l'émission de la diode dans les expériences de dégradation accélérée [Hu, 2008; Pavesi, 2006].

La courbe courant-voltage (I-V) de la diode peut également se déplacer en fonction du niveau de stress appliqué, ce qui a été observé par différents tests. D'abord, il faut diviser la courbe I-V en deux zones selon le sens du courant injecté, soit pour une polarisation directe et pour une polarisation inverse. Ainsi, la tension inverse subit une augmentation de plusieurs ordres de grandeur à une vitesse augmentant au cours du temps dans le cas des diodes à base d'InGaN [Burmen, 2008]. La tension directe augmente aussi mais d'une façon moindre et seulement pour un faible courant [Huang, 2009]. Cette observation a aussi été réalisée à un niveau de courant plus élevé mais seulement pour un modèle de DEL sur deux [Trevisanello, 2008]. Cette hausse de la tension correspond à une augmentation de la résistance série de la diode suite au test de dégradation accéléré.

2.3. Modèles de dégradation du flux lumineux

Le flux lumineux étant une caractéristique très importante des diodes électroluminescentes, plusieurs groupes ont tenté d'établir une équation mathématique pour décrire sa dégradation au cours du temps. Ainsi, une équation permettant de prédire le

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temps nécessaire pour que la DEL atteigne 50% de l'intensité de départ a été proposée [Yanagisawa, 1997]. Cette méthode emploie trois paramètres pour relier la dégradation au courant utilisé. Cette méthode est appliquée aux DELs bleues de 5 mm. L'étude n'est pas étendue à d'autres types de DELs tels que celles produisant de la lumière blanche.

Tel que vu à la section 1.2, la dégradation d'un paquet de diodes est un phénomène aléatoire. Il a donc été proposé d'utiliser un modèle basé sur la distribution de Weibull [Levada, 2005]. Le temps moyen de vie des DELs est mis en graphique et les paramètres du modèle sont obtenus à partir des mesures expérimentales. Cela a été fait pour deux types d'emballages de diodes différents, soit un de plastique et l'autre de métal.

Une autre technique proposée se base simplement sur une diminution exponentielle de l'intensité lumineuse émise au cours du temps [Narendran, 2001]. La constante de dégradation est ensuite reliée exponentiellement au courant utilisé dans le test de dégradation accéléré. Cette technique est utilisée pour prédire la durée de vie avec des courants recommandés par le fabricant en extrapolant la courbe créée avec les constantes de dégradation obtenues expérimentalement. Cette méthode a été vérifiée avec des DELs blanches de 5 millimètres (mm) et les résultats sont en accord avec la théorie. Par contre, aucune vérification n'a été effectuée pour des DELs blanches à haute intensité. Par la suite, le modèle a été perfectionné afin de relier la constante de dégradation au paramètre plus général de la température de jonction plutôt qu'au courant injecté [Narendran, 2004]. Ce nouveau modèle semble encore plus précis que le précédent mais le groupe n'a pu fournir une estimation de l'erreur par rapport à la valeur réelle.

Un autre groupe a testé différents modèles mathématiques pour relier la durée de vie au courant utilisé [Burmen, 2007]. Ainsi, ils ont comparés trois modèles formés de deux paramètres soit un linéaire, un exponentiel et un avec le courant comme base d'une puissance. Les trois modèles ont été vérifiés avec des tests sur 640 DELs de 5 mm provenant de six manufacturiers, ce qui a permis de conclure que la diminution de l'intensité lumineuse est mieux décrite par la forme exponentielle. L'erreur moyenne pour les six types de diodes est de 15%.

Enfin, un modèle empirique utilisant quatre constantes dépendantes de la densité de courant injecté et du temps [Grillot, 2006] a été proposé et testé. La vérification expérimentale du modèle a été effectuée sur deux ensembles de 250 et 64 DELs de 5 mm. Une particularité de ce test est que les mesures ont été prises sur 60000 heures, ce qui a permis de vérifier une corrélation au-delà de 0.99 entre le modèle et la valeur réelle prise sur des mesures subséquentes. Malheureusement, ce modèle empirique ne permet pas de comprendre les fondements théoriques provoquant la dégradation des diodes électroluminescentes.

2.4. Synthèse

Dans la littérature, il appert que les études sur les DELs blanches à haute intensité sont relativement peu nombreuses. En effet, plusieurs études sur la dégradation des DELs ont utilisé des diodes de 5 mm qui sont similaires à celles utilisées comme indicateurs sur les panneaux de contrôle. Cela est particulièrement vrai pour les modèles théoriques de dégradation du flux lumineux. En effet, il est difficile de regrouper assez de DELs à haute intensité pour obtenir des statistiques de la même manière qu'il a été fait avec celles de 5 mm. Cela est dû à la chaleur dégagée et à la quantité de lumière émise qui rendent la mise en place du test passablement compliquée. Il n'est pas évident que les résultats obtenus dans ce cas peuvent être appliqués intégralement à des DELs à haute intensité.

En ce qui concerne les tests de dégradation accélérée, le principal problème est qu'il n'y a pas de résultat définitif. En effet, les résultats obtenus varient d'un groupe à l'autre, ce qui fait qu'en définitive, il n'y a pas de consensus sur la cause de la diminution du flux lumineux plus ou moins rapide observée dans tous les cas. En ce qui concerne la couleur, la courbe I-V et le profil d'émission, l'origine proposée des modifications est plus partagée par l'ensemble de la communauté. Pour toutes ces raisons, il y a tout de même une place pour la réalisation de tests permettant d'apporter de nouvelles données à la communauté. Cela est particulièrement vrai dans le contexte de l'objectif ultime de mise en place d'un modèle complet de dégradation des DELs blanches à haute intensité.

3. Méthode expérimentale

Ce chapitre présente le montage et la méthode employée dans le cadre de l'expérience. Puisqu'aucun consensus n'est établi dans la communauté concernant le type de montage à préférer dans les expériences de dégradation accélérée, il a été nécessaire d'en construire un permettant d'alimenter plusieurs diodes dont certaines avec un contrôle actif de la température. De plus, les mesures réalisées pour caractériser les DELs sont décrites de même que les appareils utilisés pour réaliser celles-ci.

3.1. Modèles de DELs

Deux modèles de diodes électroluminescentes blanches haute intensité ont été utilisés afin d'évaluer les processus de dégradation présents. Ces diodes sont produites par deux manufacturiers différents et disponibles commercialement. Le premier modèle utilisé est la

Tableau 3.1 : Synthèse des caractéristiques électriques, optiques et thermiques des DELs utilisées.

Caractéristiques OSRAM Nichia

Tension seuil 3,2 V 3,5 V Courant maximal ( t ambiante = -^ J »■») 1000 mA 400 mA Température d'entreposage -40...+110°C -40...+100°C Température maximale de la jonction 125 °C 135 °C Température de couleur (CCT) 6500 K 5600 to 9000 K Flux lumineux typique

(à 350 mA)

82... 1301m 100... 1301m

Coordonnées chromatiques CIE 1931 (à 350 mA)

(0.310,0.320) (0.344, 0.355)

OSRAM Golden Dragon plus avec les codes de groupes LUW W5AM KYLX 6P7Q. Le deuxième modèle est le NS3W183T fabriqué par Nichia Corporation. Les principales

caractéristiques des deux modèles sont présentées dans le tableau 3.1. Il appert que les deux modèles sont très semblables du côté de la tension seuil dû au fait qu'elles sont toutes deux fabriquées en InGaN. Le courant maximal recommandé par le fabricant est beaucoup plus faible dans le cas du modèle B alors que le flux lumineux émis est assez semblable pour les deux modèles. Cela fait que certains paramètres sont comparables alors que d'autres doivent être évalués indépendamment.

Ces diodes ont été montées par groupe de trois sur des plaques de cuivre afin d'avoir une bonne conduction de la chaleur produite à la jonction. Une couche de pâte thermique ainsi qu'une feuille de mica ont été insérées entre la base de la DEL et la plaque de cuivre afin d'améliorer encore la conduction de la chaleur tout en ayant une isolation électrique. Le montage des DELs est présenté à la figure 3.1, où on peut aussi voir les diodes avec les fils connectés à la base des pattes pour les deux modèles.

Figure 3.1: Les diodes utilisées dans l'expérience sont montées sur des plaques de cuivre. Le modèle Nichia est à gauche et le modèle OSRAM est à droite.

Les diodes ont été dégradées par différents moyens basés sur la température ambiante, la température de la jonction et le courant injecté. Ainsi, une plaque de chaque modèle a été mise au four à deux températures différentes, soit 170°C et 150°C. D'autres ont été alimentées avec différentes valeurs de courant. Ces courants d'alimentation ont été utilisés de deux façons. D'abord, une plaque de chaque modèle de DEL a été montée sur un dissipateur de chaleur couplé à un effet Peltier qui est dirigé par un contrôleur de température indépendant (Wavelength Electronics WTC3243 et Thorlabs TED200C). Ces DELs ont été alimentées avec des courants de 1000 mA, 800 mA et 500 m A tout en gardant la plaque de cuivre à une température d'environ 40°C pour chacune. Ensuite, les trois mêmes valeurs de courant ont été utilisées pour alimenter des DELs dont la température n'était pas contrôlée. La plaque sur laquelle elles étaient montées a donc atteint une

24

température variant en fonction du courant injecté et de la résistance thermique des DELs. Finalement, une plaque de chaque modèle a été alimentée à 350 mA sans contrôle actif de la température, ce qui correspond aux conditions d'utilisation prescrite par les fabricants des diodes. Toutes les conditions des tests performés sur les DELs sont résumées dans le tableau 3.2 pour chaque numéro de plaque. Il est certains que la modification de la courbe I-V induite par les tests #4, #5, #6 et #10 entraîne une variation de la température de la jonction du même ordre. Dans le cas des diodes Nichia, cette modification ne dépasse pas 2,3% au courant maximal recommandé de 400 mA pour la plaque #4. Pour les diodes OSRAM, la modification est au maximum de 4,3% au courant maximal de 1000 mA pour la plaque #4. Cette variation de la puissance dissipée est donc négligeable devant la variation du courant durant l'expérience sur une plaque.

Tableau 3.2 : Caractéristiques des tests de dégradation dans l'expérience sur les DELs. Le courant injecté, la température de la plaque de cuivre ainsi que la température ambiante sont présentés.

Plaque O S R A M Nichia 1 Ic j r c n i t= ( l , 0 ± 0 , l ) A Tp l a q u e= ( 4 0 + 4 ) ° C t ambiante = \ZZ±Z) L Icircuit = (0,95+0,05) A Tp l a q u e= ( 4 0 + 4 ) ° C t ambiante = \ZZ±Z) L, 2 Icircui, = (0,80+0,05) A

W=(40±4)°C

A ambiante = \ZZ±Z) L Icircuit = (0,80±0,05) A Tp l a q u e= ( 4 0 + 4 ) ° C A ambiante = \ZZ±Z) L. 3 Icircuit = (0,50+0,05) A Tp l a q u e= ( 4 0 + 4 ) ° C 1 ambiante = \ZZ±Z) L Icircuit = (0,50+0,05) A Tp l a q u e= ( 4 0 + 4 ) ° C A ambiante = yZZ+Z) L. 4 Icircuit =(1,0+0,1) A Tp l a q u e= ( 6 5 + 3 ) ° C 1 ambiante = \ZZ±Z) l_. Icircuit =(1,0+0,1) A Tp l a q u e= ( 7 0 + 5 ) ° C A ambiante = \ZZ±Z) L 5 Icircuit = (0,8+0,2) A Tp l a q u e= ( 5 8 + 5 ) ° C Tambiante= (22+2) C Icircuit = (0,80+0,05) A Tp l a q u e= ( 6 0 + 5 ) ° C A ambiante = \ZZ±Z) V_ 6 Icircuit = (0,50+0,05) A Tp l a q u e= ( 4 8 + 4 ) ° C t ambiante = \ZZ±Z) t_ Icircuit = (0,50+0,05) A Tp l a q u e= ( 4 4 + 4 ) ° C Tambiante = (22±2) C 7 Tambiante= (170+10) °C Tambiante = (170+10) °C 9 Tambiante= (150+10) °C Tambiante=(150±10)°C 10 Icircuit =(0,3+0,1) A Tp l a que=(33+3)°C Tambiante = (22±2) C Icircuit = (0,35+0,05) A Tp l a q u e= ( 3 7 + 3 ) ° C Tambiante = (22+2) C

Avant le début des tests de dégradation accélérée, chaque diode a été caractérisée par une série complète de mesures, qui sont décrites en détail plus loin dans ce chapitre. Par la suite, les tests de dégradation ont été arrêtés régulièrement afin de répéter les mêmes mesures sur les DELs. À chaque fois, il a fallu attendre environ 30 minutes afin que les diodes se refroidissent jusqu'à la température de la pièce, soit (21+1) °C, avant de prendre les mesures. Cela permet de comparer les résultats entre eux. Le stress thermique induit en refroidissant régulièrement les DELs ne devrait pas provoquer de dommages importants. Une mesure prise pendant que la DEL est allumée aurait nécessité une installation beaucoup plus complexe, ce qui aurait été une expérience de vieillissement différente de ce que nous voulions effectuer pour ce travail. Dans cette expérience, il demeure que la prise de mesure pourrait perturber les DELs et avoir une influence sur le résultat.

3.2. Types de mesures

Le choix des mesures prises sur les diodes est inspiré de ce qui se fait habituellement dans les expériences de dégradation accélérée telle que celles présentées au chapitre 2. Ainsi, une sourcemultimètre (Keithley Sourcemeter 2420) a été acquise afin de tracer la courbe I-V de la diode à différents moments du test de dégradation. De plus, un spectromètre (StellarNet GreenWave) permettant de mesurer le spectre d'émission des DELs a été acheté. Celui-ci fournit aussi les coordonnées x-y et la température de couleur (CCT) de la lumière produite. Finalement, le spectromètre nous donne une première mesure du flux lumineux en lumens. C'est ce dernier résultat qui est présenté dans le chapitre 4. La deuxième méthode permettant d'évaluer le flux n'a servi qu'à valider les mesures à partir du profil spatial d'émission de la DEL. Ainsi, un goniophotomètre utilisant un photomètre (International Light Technologies ILT1700) et un moteur de rotation (Zaber KT-RS60) a été mis en place dans le laboratoire. Un profil de l'émission en lux en fonction de l'angle est effectué dans un axe de la DEL. En faisant l'approximation légitime que l'émission a une symétrie radiale, il est possible d'intégrer pour obtenir une deuxième évaluation du flux lumineux.

26

3.3. Erreur et répétabilité de la mesure

Dans cette expérience de dégradation, les mêmes mesures sont répétées constamment et doivent être comparables entre elles. Pour la mesure de la courbe I-V, il faut seulement qu'il y ait une bonne connexion des DELs, ce qui est aisément vérifié. Le seul facteur limitant dans ce cas devient le multimètre Keithley utilisé, ce qui est amplement suffisant avec une mesure ayant une précision de trois décimales. Pour la mesure à l'aide du goniophotomètre, il faut s'assurer que la courbe est centrée autour de l'origine. Si ce n'est pas le cas, il est toujours possible de recommencer la prise de la mesure. Les mesures sont faites à intervalle d'un degré, ce qui empêche d'avoir une grande précision sur la position mais est largement suffisant pour déterminer les modifications au profil d'émission durant le test de dégradation.

Pour ce qui est des mesures spectrométriques, la mesure absolue est nécessairement différente de la valeur réelle. La sphère ayant seulement un diamètre de 2 pouces et la diode étant placée à la surface de celle-ci, il y a nécessairement un écart considérable avec le flux véritable qui serait mesuré à l'aide d'une sphère de grande taille avec la diode placée au centre. La raison principale est que le diamètre de l'ouverture de la sphère d'intégration n'est pas négligeable devant le diamètre total de celle-ci. Il faut donc se limiter à évaluer les mesures en valeur relative. De plus, une fois la méthode de prise de mesure établie, il faut maintenant se soucier de la répétabilité de celle-ci. En effet, le positionnement de la sphère d'intégration par rapport à la DEL modifie le flux lumineux mesuré d'une fois à l'autre. Par contre, si on porte attention aux résultats obtenus, il appert qu'il n'y a pas de grandes variations aléatoires entre les points, ce qui indique que les mesures sont tout de même crédibles si on s'intéresse à l'évolution du flux lumineux relatif.

3.4. Circuit électrique

Le circuit permettant d'alimenter les diodes a été construit en fonction des plaques de cuivre où trois diodes sont montées en série, ce qui permet de limiter le courant total nécessaire. De plus, selon le tableau 3.1, chaque modèle de diode a une chute de tension propre, ce qui implique un circuit constitué d'un choix de résistance différent pour chaque

branche. Puisqu'il y a aussi une variabilité du niveau de la chute de tension à l'intérieur d'un groupe de DELs du même modèle, il y a des branches où circule un même courant mais nécessitant des résistances différentes. Enfin, les branches du circuit, telles que présentées à la figure 3.2, sont mises en parallèle afin de limiter la tension totale nécessaire pour l'alimentation. La source de tension utilisée devait être en mesure de fournir une puissance importante, soit 150 watts pour le circuit fabriqué pour cette expérience pour l'alimentation de 42 diodes électroluminescentes. La source utilisée est ajustable sur une plage de 0 à 50 volts et de 0 à 40 ampères. Elle fournit une tension constante malgré le fait que ce soit le courant qui détermine fondamentalement la puissance émise par la diode. L'expérience n'est donc pas conduite à courant constant car les résistances du circuit varient légèrement en plus de la courbe I-V des diodes qui changent. Il faut donc prendre en compte que cette expérience ne représente pas tout à fait la réalité d'une lampe opérée à courant constant. La zone ombragée sur la figure 3.2 montre la position des contrôleurs de température pour les plaques 1,2 et 3. Ceux-ci sont reliés à un autre circuit électrique indépendant qui n'est pas représenté ici. Ce circuit permettant d'alimenter les contrôleurs de température est relié à une autre source non ajustable de 150 watts pouvant fournir 10 ampères. La valeur de la résistance utilisée et le courant parcourant la branche sont aussi indiqués. Ces paramètres ont été vérifiés régulièrement durant le test de dégradation des DELs.

28 -— Nichia 1 -— (4+1) ft 1000 mA

r

r

-—

r

r

_ OSRAM 1 1 -— (5+i) a 1000 mA

r

r

-—

r

r

Nichia 2 -— (4±1) Q 800 mA

r

r

-—

r

r

j OSRAM 2 -— (7+1) ft 800 mA

r

r

-—

r

r

Nichia 3 -— (ll±l)ft 500 mA

1

r

r

-—

1

r

r

l OSRAM 3 ï -— (10+1) a 500 mA

r

r

-— -— Nichia 4 -— (4+1) ft 1000 mA -— OSRAM 4 . -— (7+1) ft 1000 mA -— Nichia 5 -— (5+i) a 800 mA -— OSRAM 5 -— (6+1) ft 800 mA -— Nichia 6 -— (ll±l)ft 500 mA -— OSRAM 6 . -— (i3+i) a 500 mA -— Nichia 10 -— (16+1) ft 350 mA -— OSRAM 10 . -— (15+1) ft 350 mA -—

fPi

11 r

15 volts

Figure 3.2: Schéma du circuit électrique utilisé pour l'alimentation des DELs. La surface grise représente les contrôleurs de température.

Ce chapitre présente les résultats obtenus dans le cadre des différents tests de dégradation accélérée effectués sur les DELs. Ces tests sont divisés en trois groupes pour deux modèles de diodes. De plus, une plaque de trois diodes de chaque modèle a été alimentée avec un courant de 350 mA, ce qui correspond à la valeur recommandée par les fabricants. Ces plaques représentent donc la référence utilisée pour comparer les différents modes de dégradation et évaluer le phénomène d'accélération. Pour cette raison, les résultats obtenus dans ce cas sont présentés au départ et les résultats des autres tests seront présentés par la suite.

4.1. Mesures de référence (plaques #10)

Les diodes alimentées avec un courant de 350 mA ont subi une dégradation de leurs caractéristiques malgré le fait que ce courant correspond à la valeur proposée par les fabricants Nichia et OSRAM. La figure 4.1 montre les diodes Nichia qui émettent (93+2)% du flux lumineux original après 1000 heures d'alimentation. Dans le cas des DELs OSRAM, la valeur correspondante est de (87+4)%. Il y a donc une diminution appréciable du flux lumineux, malgré le fait que la température ambiante, la température de la jonction et le courant utilisé sont tous inférieurs à la prescription. Il a été décidé arbitrairement de comparer le flux lumineux pour chaque méthode de dégradation après 1000 heures afin de déterminer si la dégradation est effectivement accélérée par le niveau de stress appliqué. De plus, la diminution du flux lumineux semble avoir lieu principalement durant les 200 premières heures du test et se stabilise par la suite.

30

200 100 600 800 1000 i:oo Durée de l'expérience (hrs)

Durée de l'expérience ( h r s )

Figure 4.1 : Évolution du flux lumineux des DELs alimentées à 350 mA. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM.

L'incertitude associée à chaque point provient de l'écart type entre les trois DELs soumises aux mêmes conditions de dégradation sur la plaque de cuivre. Cela permet de diminuer l'effet de la variabilité du processus de dégradation à l'intérieur d'un paquet de DELs. La diminution du flux lumineux peut être associée à la température de la plaque atteinte durant l'expérience, soit (37+3)°C pour Nichia et (33+3)°C pour les DELs OSRAM. Lorsqu'on se penche sur les modifications de la chromaticité, il appert que la variation est beaucoup plus faible que pour le flux lumineux. Cela peut être observé à la figure 4.2 où la variation de couleur moyenne des trois diodes sur une plaque est négligeable autant dans le cas des diodes Nichia que des diodes OSRAM. L'écart type relatif du groupe ne dépasse pas 0,1% pour les deux modèles de diodes. Sur les deux

graphiques, les différents groupes chromatiques pour chaque modèle sont illustrés. Dans le cas des diodes Nichia, le groupe de l'échantillon testé est le b6 alors que pour les OSRAM, c'est un des groupes illustrés mais le fabricant n'a pu préciser lequel. Même s'il n'y a pas de variation de la couleur durant le test, il appert que les mesures sont assez éloignées de leur groupe chromatique. Cela laisse supposer une erreur systématique importante introduite par le spectromètre. Pourtant, celui-ci a été calibré avec une source du « National Institute of Standards and Technology » peu de temps avant la caractérisation initiale des diodes. Une vérification rapide a aussi été effectuée plus tard avec un laser He-Ne et le spectromètre indiquait une longueur d'onde de 632,7 nm, ce qui est acceptable. L'erreur semble provenir uniquement de l'algorithme de calcul des coordonnées chromatiques. Des démarches ont été entreprises auprès de l'entreprise Stellarnet Inc. afin de comprendre ce qui peut permettre d'expliquer un écart perpétuel entre les valeurs mesurées et les valeurs théoriques. Malgré tout cela, il demeure possible d'observer la variation relative des coordonnées chromatiques au cours du test, ce qui sera le point étudié en attendant de trouver une réponse concernant le positionnement des points dans l'espace des couleurs.

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Figure 4.2 : Évolution des coordonnées x-y des DELs alimentées à 350 mA. Au-dessus, les diodes Nichia et en-dessous, celles d'OSRAM.

Si on s'intéresse à l'évolution de la relation entre la tension aux bornes de la DEL et le courant injecté, il appert que le résultat du test n'est pas le même pour les deux modèles de diodes tel qu'illustré à la figure 4.3. Les courbes présentées ici et pour tous les autres graphiques par la suite correspondent à la valeur moyenne de la mesure I-V. L'écart type entre les trois diodes sur une même plaque est d'environ 2% dans tous les cas. Donc, il n'y a pas de modification observable de la courbe dans le cas des DELs Nichia tandis qu'il y a une diminution de la tension pour un même courant dans le cas du modèle OSRAM. Cette diminution de tension n'était pas prévue pour des diodes opérées à un courant standard de 350 mA et peut causer un problème. En effet, dans une lampe intégrant plusieurs diodes, il n'est pas facile de fournir une tension pouvant s'ajuster dans le temps. Puisque la variation