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République Algérienne Démocratique Ministère de l’Enseignement Supérieur et de

République Algérienne Démocratique Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mouloud Mammeri de Tizi Faculté de génie électrique MEMOIRE M Etude Etude Etude Etude d’une LED d’une LED d’une LED d’une LED Devant le jury : Mr MEGHERBI Mohammed Mr BELKAID Mohamed Said Mr OUSSALAH Slimane Mme MENOUER LAGHA Kahina République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou Faculté de génie électrique et d’informatique Département d’électronique MEMOIRE DE MAGISTER Spécialité : Electronique Option : Microélectronique Présenté par : Melle BOUARABA Fazia THÈME d’une LED d’une LED d’une LED d’une LED à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la lumière blanche lumière blanche lumière blanche lumière blanche Professeur UMMTO Said Professeur UMMTO Maître de recherche A CDTA LAGHA Kahina Maître de conférences B UMMTO Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Ouzou DE MAGISTER à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la à base d’InGaN pour l’émission de la UMMTO Président UMMTO Rapporteur CDTA Examinateur MTO Examinatrice Soutenue le : 31 / 05 / 2012 Résumé A l’échelle mondiale, l’éclairage représente environ 25 % de la consommation totale d'énergie électrique. Dans le contexte actuel d’économie d’énergie et de lutte contre le réchauffement climatique, l’éclairage par diodes électroluminescentes (LED pour Light Emetting Diode) apparaît comme une voie très prometteuse et sans doute à terme incontournable. En effet, les LEDs à émission de lumière blanche offrent de nombreux avantages par rapport aux sources de lumière conventionnelles (longue durée de vie, faible consommation électrique et temps de réponse réduit), elles présentent une efficacité énergétique théorique 10 fois supérieure à celle des lampes à incandescence. Après avoir récapitulé l’état de l’art des diodes électroluminescentes dont nous avons présenté les points essentiels à la compréhension de cette nouvelle source de lumière, nous nous sommes intéressés à l’étude des semiconducteurs III.N et plus précisément le nitrure d’indium de gallium (InGaN), vu les récents progrès sur ces matériaux et la maitrise de leurs techniques d’élaboration qui ont permis l’émergence des LEDs dans le domaine de l’éclairage. Nous avons procédé à une simulation à l’aide du logiciel SILVACO des différentes étapes technologiques nécessaires pour la réalisation du la LED bleue à simple puits quantique InGaN utilisé pour la réalisation des LEDs blanches. Cette simulation nous a permis de tirer les caractéristiques de la LED, et de déterminer l’influence des paramètres tels que le taux d’indium et la tension de polarisation sur l’efficacité de la LED. Mots clefs : LED, éclairage, nitrures III.V, InGaN, simulation, SILVACO. Remerciements Je remercie ALLAH le tout puissant pour m’avoir donné la force, la volonté et la patience pour mener à terme mon travail. Je tiens à témoigner ma profonde gratitude et mes remerciements les plus vifs au professeur Mr BELKAID Mohamed Saïd, le Doyen de la Faculté de Génie Electrique et d’Informatique de l’université Mouloud Mammeri de Tizi- Ouzou, pour m’avoir confié ce travail et pour ses conseils et sa disponibilité durant sa préparation, qu’il trouve ici l’expression de mon respect. Je remercie également Mr MEGHERBI Mohammed, professeur au département d’électronique UMMTO, pour l’honneur qu’il m’a accordé en acceptant du présider le jury de mémoire. J’adresse mes vives reconnaissances à Mr OUSSALAH Slimane Directeur adjoint de Centre de Développement des Technologies Avancées (CDTA) à Baba Hassen, Alger, qui a accepté de m’accueillir dans le centre et d’être parmi les membres de jury, et pour la lecture attentive de ce manuscrit et l’intérêt qu’il y a porté. Je remercie chaleureusement Mme BENKHELFA Nabila pour l’initiation au logiciel Silvaco, pour ses explications et sa gentillesse, et de m’avoir aidée à accomplir ce travail Mes remerciements vont également à Mme MENOUER LAGHA Kahina maître de conférences B à l’ UMMTO pour l’honneur qu’elle m’a fait en acceptant de jurer mon travail ainsi que Melle SIDI SAID Amel pour m’avoir proposé ce sujet, et à tous mes collègues et amis du laboratoire LATAGE qui m’ont aidé de différentes manières. Dédicaces A Mes parents Mes frères Ma sœur Mes amies Sommaire Introduction générale ..................................................................................................... 1 Chapitre Chapitre Chapitre Chapitre I I I I : E : E : E : Etat de l tat de l tat de l tat de l’art des ’art des ’art des ’art des diodes électroluminescentes diodes électroluminescentes diodes électroluminescentes diodes électroluminescentes I.1. Introduction ................................................................................................................................... 3 I.2. Historique ....................................................................................................................................... 4 I.3. Contexte économique et énergétique actuel des LEDs ............................................................. 5 I.4. Caractéristique d’une source lumineuse (LED) ....................................................................... 6 I.4.2.1. Diagramme de chromaticité ...................................................................................... 6 I.4.2.2. La notion de température de couleur ....................................................................... 7 I.4.2.3. Indice de rendu de couleur (IRC) ........................................................................... .8 I.5. Etude des diodes électroluminescentes (LEDs) ........................................................................ 9 I.5.1. Classification des diodes électroluminescentes ......................................................... 9 I.6.1.1. Les LEDs de faible puissance .................................................................... 9 I.6.1.2. Les LEDs de forte puissance .................................................................... 10 I.5.2. Principe de fonctionnement des LEDs ..................................................................... 12 I.5.2.1. Les LEDs à homojonction ......................................................................... 13 I.5.2.2. Les LEDs à hétérojonction ....................................................................... 14 I.5.2.3. Les LEDs à puits quantique ...................................................................... 15 I.5.3. Fabrication des diodes électroluminescentes ........................................................... 16 I.5.3.1. Le choix du substrat ................................................................................... 16 I.5.3.2. La croissance des différentes couches .................................................... 17 I.5.3.3. Les contacts .................................................................................................. 17 I.5.3.4. L’encapsulation ........................................................................................... 20 I.5.4 Propriétés des diodes électroluminescentes ............................................................ 21 I.5.4.1. Propriétés physiques .................................................................................... 21 I.5.4.2. Propriétés électriques .......................................................................... 23 I.5.4.3. Propriétés optiques ..................................................................................... 26 I.6. Les Diodes électroluminescentes blanches ............................................................................ 28 I.6.1. Les Méthodes d’obtention de la lumière blanche .................................................... 28 I.6.1.1. Méthode 1 : synthèse RGB ........................................................................ 28 I.6.1.2. Méthode 2 : LED bleue et phosphore jaune ............................................ .28 I.6.1.3. Méthode 3 : LED ultra violet + phosphore ............................................ 29 I.6.1.4. Diodes électroluminescentes organiques (OLEDs)................................. 31 I.7. Extraction de la lumière émise .................................................................................................. 33 I.8. Les paramètres affectant l’efficacité des LEDs ...................................................................... 35 I.7.1. La température de la jonction ..................................................................................... 35 I.7.2. L’influence du courant d'alimentation ...................................................................... 37 I.7.3. La géométrie de la puce .............................................................................................. 37 I.9. Les performances des LEDs ...................................................................................................... 38 I.11.1. Le rendement lumineux (wall-plug efficiency) .................................................... 38 I.11.2. La durée de vie ........................................................................................................... 39 I.10. Comparaison des différente sources de lumières ................................................................ 40 I.11. La dégradation des LEDs ........................................................................................................ 40 I.12. Les applications des LEDs ....................................................................................................... 41 I.13. Les atouts et les limites des LEDs pour l’éclairage ............................................................. 42 I.14. Conclusion .................................................................................................................................. 43 Chapitre II Chapitre II Chapitre II Chapitre II : : : : Les Les Les Les diode diode diode diodes s s s électroluminescentes électroluminescentes électroluminescentes électroluminescentes blanche blanche blanche blanches s s s à base d’InGaN à base d’InGaN à base d’InGaN à base d’InGaN II.1. Introduction ................................................................................................................................. 44 II.2. L’intérêt des nitrures d’élément III en optoélectronique ...................................................... 45 II.3. Les propriétés des nitrures......................................................................................................... 46 II.3.1. Propriétés cristallines ............................................................................................... 46 II.3.2. Propriétés électriques ................................................................................................. 48 II.3.3. Propriétés thermiques ............................................................................................... 50 II.3.4. Propriétés optiques ..................................................................................................... 51 II.4. Les techniques d'élaboration des nitrures ................................................................................ 53 II.4.1. Epitaxie en phase vapeur à partir d'hydrure (EPVH) ........................................... 53 II.4.2. Epitaxie par jets moléculaires (EJM) ....................................................................... 53 II.4.3. Epitaxie en phase vapeur d’organométallique (EPVOM) .................................... 54 II.4.4. Croissance par reprise d’épitaxie latérale (ELO) ................................................... 55 II.5. Croissance et propriétés d’InGaN ............................................................................................ 57 II.5.1. La croissance d’InGaN ...................................................................................... 57 II.5.2. L’énergie de la bande interdite d’InGaN ......................................................... 57 II.5.3. Les puits quantiques InGaN/GaN .................................................................... 58 II.5.4. Déformations et contraintes dans les puits quantiques .................................... 59 II.5.5. Effet du champ électrique dans un puits quantique .............................................. 60 II.5.6. Effets de localisation et efficacité radiative ........................................................... 61 II.6. Les procédés de fabrication de la LED blanche à base d’InGaN ......................................... 62 II.6.1. Le choix du substrat ................................................................................................... 62 II.6.2. La couche tampon ...................................................................................................... 64 II.6.3. Réalisation de puits quantique GaN-n/InGaN/GaN-p .......................................... 65 II.6.4. Méthodes de dopage de GaN .................................................................................... 66 II.6.5. La couche AlGaN ....................................................................................................... 69 II.6.6. Réalisation des contacts ............................................................................................. 69 II.6.7. Le dépôt de phosphore jaune .................................................................................... 73 II.7. Conclusion .................................................................................................................................. 74 Chapitre Chapitre Chapitre Chapitre III III III III : : : : Simulation des procédés technologiques de Simulation des procédés technologiques de Simulation des procédés technologiques de Simulation des procédés technologiques de réalisation de réalisation de réalisation de réalisation de la LED la LED la LED la LED III.1. Introduction ................................................................................................................................ 75 III.2. Les simulateurs TCAD ............................................................................................................ 75 III.3. Présentation du logiciel TCAD-SILVACO ........................................................................... 76 III.3.1. Les outils interactifs.................................................................................................. 77 III.3.2. Les outils de simulation ........................................................................................... 78 III.4. Description de la structure LED simulée ............................................................................... 80 III.5. Les étapes de simulation ......................................................................................................... 81 III.5.1. Maillage ...................................................................................................................... 81 III.5.2. Définition du substrat ............................................................................................... 82 III.5.3. Dépôt des couches ................................................................................................... 82 III.5.4. Dépôt des contacts .................................................................................................... 85 III.5.5. La structure finale .................................................................................................... 81 III.6. Conclusion ................................................................................................................................. 88 Chapitre IV Chapitre IV Chapitre IV Chapitre IV : : : : Simulation des Simulation des Simulation des Simulation des caractéristiques électriques de la caractéristiques électriques de la caractéristiques électriques de la caractéristiques électriques de la LED LED LED LED IV.1.Introduction ............................................................................................................................... 89 IV.2. Les étapes de programmation sous Atlas .............................................................................. 89 uploads/Science et Technologie/bouaraba-fazia.pdf