Contribution à l'optimisation du rendement d'électroluminescence des LED de puissance : décorrélation des différentes composantes du rendement

par Dinh Chuong Nguyen

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Mathieu Leroux.

Soutenue le 15-05-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Julien Pernot.

Le jury était composé de Lionel Hirsch, Philippe Gilet, Nicolas Grandjean, David Vaufrey.

Les rapporteurs étaient Joël Leymarie, Georges Brémond.


  • Résumé

    Ce travail de thèse, réalisé au sein du CEA-LETI, consiste en la décorrélation des différents mécanismes ayant lieu dans une LED à base de GaN par voie de simulation numérique et de caractérisation expérimentale. Dans les chapitres 1 et 2, les théories des différents mécanismes présents dans une diode/LED sont décrites. Dans le chapitre 3, la simulation numérique d’une structure LED VTF ("vertical thin film" en langue anglaise) détermine les mécanismes prédominants dans les différentes gammes de tension. Une étude paramétrique s’ensuit afin d’évaluer les interactions entre les mécanismes.Dans le chapitre 4, les simulations sont effectuées en ajoutant un modèle de dépendance des mobilités des porteurs au champ électrique. En présence de ce modèle, les caractéristiques électro-optiques simulées tendent vers les caractéristiques réelles à haute tension.Les résultats des mesures de vitesse des porteurs dans le GaN-p sont également reportés dans le chapitre 4. En utilisant un motif d’échantillon spécifique et la méthode de mesure quatre points, les résultats suggèrent une tendance à saturer de la vitesse des porteurs, ou une tendance à décroître de la mobilité, à fort champ électrique. Ces résultats renforcent l’hypothèse de simulation utilisée dans le chapitre 4.Les simulations présentées dans les chapitres 3 et 4 permettent de proposer un schéma équivalent d’une LED en décorrélant les différents mécanismes et en ne gardant que les mécanismes dominants. Ce schéma équivalent permettrait, par exemple, à identifier les différents régimes dans une caractéristique électrique d’une LED réelle afin de procéder des améliorations du fonctionnement de la LED.Le chapitre 5 présente une étude par électroluminescence pulsée, une méthode de caractérisation fréquentielle, sur des LED commerciales. L’étude des temps de montée et de descente des signaux électro-optiques, ainsi que l’étude de durée de vie différentielle des porteurs de charge dans une LED, fourniraient des informations supplémentaires concernant l’injection des porteurs dans la LED.

  • Titre traduit

    Contribution to the optimization of electroluminescence efficiency in high power LEDs : decorrelation of different components of the efficiency


  • Résumé

    This PhD. works, which was carried out inside CEA-LETI, aims to dissociate the various mechanisms occurring inside a GaN-based LED employing numerical simulation and experimental characterization. In the chapters 1 and 2, various mechanisms occurring inside a diode/LED are theoretically described. In chapter 3, through numerical simulation, the dominant mechanisms as well as their locations in a VTF ("vertical thin film") LED structure are determined for different voltage ranges. A parametric study follows to assess the interactions between the mechanisms.In chapter 4, the simulations are carried out with an additional field-dependent model for charge carrier mobility. With this model enabled, the simulated LED-electrical-and-optical characteristics approximate the real LED characteristics.Carrier-velocity characterization on p-type GaN, using a specific sample structure and the resistivity method, is also shown in chapter 4. It can be inferred from the results that under strong electric-fields, the carrier velocity might saturate, or the carrier mobility might decrease. These results strengthen the hypothesis used for the simulations in this chapter 4.The simulations introduced in the chapters 3 and 4 allow the proposition of an equivalent circuit for a GaN-based LED by dissociating the different mechanisms and retaining the dominant ones. This equivalent circuit could help, for instance, identify the different regimes in a real-LED electrical characteristics in order to improve the LED’s performance.Chapter 5 introduces pulsed electroluminescence, a frequential characterization method, on commercial LEDs. The studies of rise-time and fall-time of electro-optical signals, and the study of the differential lifetime of charge carriers in an LED would provide supplementary information concerning the carrier injection into the LED.


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