Brevet FR2520934A1 — publié le 19830805

-1- "DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR EMETTEUR DE LUMIERE A MULTICRISTAUX" La présente invention concerne un dispositif émet- teur de lumière constitué d'au moins deux cristaux semi- conducteurs dans chacun desquels est créée une jonction électroluminescente entre deux régions de typesde conduc- tion opposés, lesdits cristaux, fixés par l'une de leurs dites régions sur un support métallique, étant recouverts d'une enveloppe protectrice transparente par l'une des faces de laquelle, dite face active, sortent les rayonne- ments émis par lesdites jonctions, celles-ci étant excitées alternativement à partir d'une source de courant extérieure par l'intermédiaire de deux électrodes de sortie traversant ladite enveloppe transparente. Les diodes électroluminescentes sont souvent utili- sées pour l'affichage visuel, notamment dans les techniques de traitement de l'information Un état logique, en binaire, peut être visualisé au moyen d'une diode prenant deux états: diode éclairée, diode éteinte; mais dans le cas d'un fort éclairage ambiant, les effets de réflexion sur les optiques desdites diodes peuvent entra Iner des erreurs d'interpréta- tion C'est pourquoi l'on préfère visualiser les divers états logiques au moyen de diodes émettant sous des lon- gueurs d'ondes différentes, par exemple dans le rouge et dans le vert. On connait déjà des voyants lumineux bicolores cons- titués de deux cristaux semiconducteurs dont l'un émet dans le rouge pour une polarité donnée, et dont l'autre émet dans le vert pour la polarité inverse. Les cristaux utilisés sont du type P/N et leur uti- lisation dans de tels dispositifs conduit à des difficultés technologiques En effet, pour des raisons de rationalisa- -2- tion, il est préférable que de tels dispositifs ne compor- tent que deux électrodes: or, pour que la région de type de conduction N de l'un des cristaux soit en contact élec- trique avec la région de type P de l'autre, il est néces- saire que les régions N soient isolées l'une de l'autre, c'est-à-dire que leurs supports métalliques soient égale- ment isolés Cette condition conduit donc à utiliser deux supports séparés. Ce procédé est à la fois compliqué, peu économique et d'un résultat médiocre En effet, les cristaux doivent être nécessairement décentrés par rapport à l'axe longitu- dinal du voyant lumineux mais, pour que ce décentrage soit le plus faible possible, il faut d'une part que l'épaisseur des supports soit réduite au maximum et, d'autre part, que lesdits supports soient placés parallèlement et au plus près l'un de l'autre C'est ainsi que l'épaisseur desdits supports ne pourra alors excéder la moitié de l'épaisseur normale soit 0,5 mm, la distance les séparant étant de l'ordre de 0,1 mm au plus Or, les cristaux, de forme car- rée, ont une longueur de côté voisine de 0,3 mm, ce qui rend leur mise en place difficile. Lesdits cristaux sont enrobés dans une résine inco- lore mais, pour atténuer l'effet du décentrage des cristaux, cette résine doit comporter un composant diffusant qui lui donne une nuance grisâtre d'aspect peu agréable et qui n'a- méliore pas le contraste en présence d'un éclairement ambiant important. Les diodes électroluminescentes peuvent également être utilisées hors du spectre visible pour des applica- tions plus spécifiques, notamment dans le domaine des trans- missions d'informations. Dans le cas o elles sont associées au moins par paires dans un même dispositif, on se trouve confronté à des difficultés sensiblement identiques à celles précédem- ment citées - La mise en oeuvre du procédé actuel présente d'autres inconvénients dus au fait que les dispositifs obtenus doi- -3- vent comporter uniquement deux électrodes de sortie alors que, à l'origine, chacun des cristaux comporte également deux électrodes reliées chacune à une région semiconduc- trice La première des électrodes de chaque cristal est constituée par le support dudit cristal et la seconde est une simple languette de connexion. Dans ces conditions, lors de l'assemblage des cristaux, il y a lieu de souder la première électrode de l'un des cristaux à la seconde électrode de l'autre, et vice-versa, en prenant soin de maintenir constants les écartements entre les supports de cristaux et entre les cristaux eux-mêmes. L'élaboration de tels dispositifs lumineux est donc soumise à un grand nombre de difficultés qui rendent l'aspect du produit médiocre et le prix de revient relati- vement important, et qui font que l'industrialisation en vue de la production de quantités importantes parait diffi- cilement envisageable. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. En effet, la présente invention concerne un dis- positif émetteur de lumière constitué d'au moins deux cris- taux semiconducteurs dans chacun desquels est créée une jonction électroluminescente entre deux régions de types de conduction opposés, lesdits cristaux, fixés par l'une de leurs dites régions sur un support métallique, étant recou- verts d'une enveloppe protectrice transparente par l'une des faces de laquelle, dite face active, sortent les rayon- nements émis par lesdites jonctions, celles-ci étant exci- tées alternativement à partir d'une source de courant exté- rieure par l'intermédiaire de deux électrodes de sortie traversant ladite enveloppe transparente, dispositif notam- ment remarquable en ce que les deux cristaux sont fixés sur un support métallique unique au fond d'une cavité réfléchis- sante appropriée creusée à cet effet, en ce que la jonction électroluminescente créée dans l'un des cristaux est formée par la superposition d'une région superficielle de type de -4 - conduction P sur une région sous-jacente de type de conduc- tion N solidaire de ce support, et en ce que la jonction électroluminescente créée dans l'autre cristal est obtenue à partir d'une région superficielle de type de conduction N superposée à une région sousjacente de type de conduc- tion P fixée audit support, ce dernier constituant ainsi la première électrode de sortie commune aux régions sous- jacentes des cristaux qui lui sont fixées et la seconde électrode de sortie étant raccordée simultanément aux ré- gions superficielles desdits cristaux. La réalisation d'un tel dispositif ne présente aucune difficulté particulière En effet, cette réalisa- tion ne nécessite qu'un seul support, ce qui simplifie les manipulations et permet de réduire le nombre de prises de contact De plus, la présence de la cavité réfléchissante permet de centrer automatiquement les cristaux au plus près de l'axe longitudinal de l'enveloppe perpendiculaire à sa face active Cette cavité réfléchissante apporte d'ailleurs d'autres avantages, notamment lorsqu'il s'agit de matériaux transparents à leur propre radiation émettant dans le spec- tre visible C'est ainsi que ses propriétés optiques de réflexion permettent de concentrer la lumière émise et de donner, alors, une meilleure efficacité lumineuse à l'en- semble. De plus, en cas de fonctionnement simultané des deux cristaux en régime alternatif rapide, l'effet de mixa- ge optique dû à la persistance des impressions lumineuses sur la rétine est renforcé par la présence de ladite cavité au point d'obtenir une couleur composée à partir des cou- leurs d'origine fournies par les deux cristaux semiconduc- teurs. Dans ce même cas o le dispositif fonctionne en régime alternatif, il est possible de l'associer à un photo- récepteur tel qu'une photorésistance pour obtenir un photo- coupleur sans polarité et sensible à une plage plus ou moins importante du spectre lumineux liée à la longueur d'onde des rayonnements émis par les diodes électroluminescentes. -5 - Un autre avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que la présence de deux cristaux de types alternés P/N et N/P sur un même support permet de résoudre aisément le problème des prises de contact à l'intérieur de l'enveloppe et du nombre d'électrodes de sortie qui ne peut être supérieur à deux. Les cristaux semiconducteurs utilisés sont le plus souvent obtenus à partir de composés III-V et, dans une première forme préférentielle de réalisation de l'inven- tion, le cristal de type N/P est en Ga Al As, le cristal P/N étant notamment du Ga P. Pour des raisons de qualité du produit fini et/ou de technologie, le type de ces deux matériaux n'est que celui indiqué cidessus, ce qui évite toute confusion lors du montage du dispositif; de plus, les jonctions qui y sont créées émettent des rayonnements de longueurs d'ondes très différentes, donc très contrastées, la première dans le rouge et la seconde dans le vert. Dans la mesure o la luminance des rayonnements émis par l'un des cristaux est très sensiblement différen- te de celle des rayonnements émis par l'autre cristal, il y a lieu d'harmoniser l'ensemble Pour ce faire, l'enve- loppe transparente est avantageusement constituée de deux zones optiquement différentes dont l'une peut absorber notablement les rayonnements émis par l'un desdits cris- taux. Généralement, l'enveloppe transparente est obtenue par moulage d'une résine appropriée: dans ces conditions, les deux zones de ladite enveloppe peuvent être teintées de couleurs rappelant la gamme de longueurs d'ondes dans laquelle émettent les cristaux Cette solution permet d'identifier instantanément le dispositif. Compte tenu de la valeur élevée de sa luminance, le Ga Al As doit être classé dans la catégorie des matériaux émettant des rayonnements dans la gamme dite "hyper-rouge". Ce phénomène conduit à enrober les cristaux d'un disposi- tif selon l'invention dans une enveloppe formée d'au moins -6- une zone filtrante, verte de préférence, qui homogénéise les luminances des jonctions en absorbant sensiblement le rouge. Avantageusement, un dispositif formé d'un cristal de Ga Al As et un cristal de Ga P comporte une enveloppe cons- tituée d'une première zone filtrante de couleur verte sur- montée d'une seconde zone de couleur rouge. Ledit dispositif qui peut être rapidement identifié jouit ainsi d'un effet de contraste suffisant en cas d'é- clairement ambiant assez vif, cet avantage étant réservé habituellement aux voyants lumineux monochromatiques. Dans une seconde forme préférentielle de réalisa- tion de l'invention, les deux cristaux sont en Ga As et les jonctions qui y sont créées émettent des rayonnements de même longueur d'onde quelque soit le sens du courant appli- qué au dispositif. Cette forme de réalisation est plus particulièrement destinée à l'utilisation du dispositif en association avec un photorécepteur pour former un photocoupleur sans polari- té. La description qui va suivre, en regard de la figure décrivant un exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure en annexe représente un dispositif selon l'invention. Il est à noter que, sur ladite figure, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre le dessin plus clair. Conformément à la figure, le dispositif selon l'in- vention comporte deux cristaux semiconducteurs 1 et 2 dans chacun desquels est créée une jonction électroluminescente non représentée sur la figure Le cristal 1, en Ga Al As de type N/P par exemple, a sensiblement la forme d'un carré de 0,3 mm de côté et émet dans le rouge Le cristal, de forme carrée également, est un bloc de Ga P de type P/N de 0,3 mm de côté et émet dans le vert. -7- Selon l'invention, les cristaux 1 et 2 sont portés par un support métallique unique 3 dans 1 equel est prati- quée une cavité réfléchissante 4 au fond de laquelle ils sont fixés par soudure ou par collage à l'aide d'une rési- ne conductrice. Ledit support 3 constitue une première électrode commune pour la région de type P du cristal 1 et pour la région de type N du cristal 2 Les régions supérieures desdits cristaux sont raccordées par un fil 5 à une secon- de électrode 6 ayant la forme d'une languette. Les cristaux 1 et 2 ainsi que les électrodes 3 et 6 sont enrobés dans une enveloppe transparente 7 en résine époxyde, formée d'une première zone 7 a chargée d'une matière filtrante de couleur verte et d'une seconde zone superficielle 7 b de couleur rouge. Le procédé de réalisation du dispositif selon l'in- vention est très simple En effet, en choisissant de ma- nière convenable la forme et les dimensions de la cavité réfléchissante 4, le centrage des cristaux 1 et 2 est ef- fectué automatiquement et les autres opérations font appel à des moyens et des appareillages déjà connus Généralement, la cavité réfléchissante 4 est sensiblement hémisphérique ou oblongue et la longueur du diamètre ou du grand axe au fond de la cavité ne dépasse pas 0,8 mm pour des cristaux de 0,3 mm. -8 - REVENDICATIONS - 1 Dispositif émetteur de lumière constitué d'au moins deux cristaux semiconducteurs ( 1, 2) dans chacun desquels est créée une jonction électroluminescente entre deux régions de types de conduction opposés, lesdits cris- taux ( 1, 2), fixés par l'une de leurs dites régions sur un support métallique, étant recouverts d'une enveloppe pro- tectrice transparente ( 7) par l'une des faces de laquelle, dite face active, sortent les rayonnements émis par les- dites jonctions, celles-ci étant excitées alternativement à partir d'une source de courant extérieure par l'intermé- diaire de deux électrodes de sortie traversant ladite enve- loppe transparente ( 7), dispositif caractérisé en ce que les deux cristaux ( 1, 2) sont fixés sur un support métalli- que unique ( 3) au fond d'une cavité réfléchissante appro- priée ( 4) creusée à cet effet, en ce que la jonction élec- troluminescente créée dans l'un des cristaux est formée par la superposition d'une région superficielle de type de conduction P sur une région sous-jacente de type de conduc- tion N solidaire de ce support ( 3), et en ce que la jonc- tion électroluminescente créée dans l'autre cristal est ob- tenue à partir d'une région superficielle de type de con- duction N superposée à une région sous-jacente de type de conduction P fixée audit support, ce dernier constituant ainsi la première électrode de sortie ( 3) commune aux ré- gions sous-jacentes des cristaux qui lui sont fixées et la seconde électrode de sortie ( 6) étant raccordée simultané- ment aux régions superficielles desdits cristaux. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cristaux semiconducteurs ( 1, 2) sont obtenus à partir de composés III-V. 3 Dispositif selon les revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que le cristal ( 1) de type N/P est en Ga Al As, et en ce que le cristal ( 2) de type P/N est en Ga P. -9- 4 Dispositif selon les revendications 1 à 3, carac- térisé en ce qu'il comporte un cristal ( 1) de Ga Al As et un cristal ( 2) de Ga P recouverts d'une enveloppe ( 7) consti- tuée d'une première zone filtrante ( 7 a) de couleur verte surmontée d'une seconde zone ( 7 b) de couleur rouge. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux cristaux ( 1, 2) sont en Ga As et en ce que les jonctions qui y sont créées émettent des rayonnements de même longueur d'onde quel que soit le sens du courant applique au dispositif.