Brevet FR3041202A1 — publié le 20170317

SOURCE LUMINEUSE LED A MICRO- OU NANO-FILS COMPRENANT DES MOYENS DE MESURE DE LA TEMPERATURE L'invention a trait au domaine de l'éclairage et de la signalisation lumineuse, notamment pour véhicule automobile. Dans le domaine de l'éclairage et de la signalisation lumineuse pour véhicules automobiles, il devient de plus en plus courant d'utiliser des sources lumineuses à composants semi-conducteurs électroluminescents, par exemple des diodes électroluminescentes, LED. Un composant LED émet des rayons lumineux lorsqu'une tension d'une valeur au moins égale à une valeur seuil appelée tension directe est appliquée à ces bornes. De manière connue, une ou plusieurs LEDs d'un module lumineux pour un véhicule automobile sont alimentées par le biais de moyens de pilotage de l'alimentation, qui comprennent des circuits convertisseurs. Les moyens de pilotage de l'alimentation sont configurés pour convertir un courant électrique d'une première intensité, par exemple fourni par une source de courant du véhicule automobile, telle qu'une batterie, en un courant de charge ayant une deuxième intensité, différente de la première. Le fonctionnement d'une LED dépend de la température de sa jonction p-n. Au-delà d'une température seuil, il existe un risque d'endommagement permanent du composant LED. La couleur de la lumière émise par une LED et son intensité dépendent également de la température de jonction. En général, la température de jonction dépend de l'intensité du courant électrique qui la traverse et de la température ambiante du module lumineux. Afin de pouvoir gérer l'émission lumineuse souhaitée, et de pouvoir garantir la longévité de composants LEDs, il est connu d'utiliser des moyens de mesure de température qui donnent une indication de la température d'une ou de plusieurs LEDs. Cette information est alors utilisée par un circuit de pilotage de l'alimentation de la LED. Pour des LEDs sous formes de puces implantées sur un circuit imprimé, PCB (« printed circuit board »), on utilise des moyens de température montés en surface, SMD (« surface mounted device »), tels que des thermistors, dont la résistance dépend de leur température. 3041202 2 En mesurant la chute de tension aux bornes du thermistor, il est possible de déduire la température du thermistor. Quand le thermistor est placé en proximité d'une LED sur un PCB, on peut conclure que la température mesurée est une approximation de la température de jonction de la LED en question. La température 5 réelle de la jonction n'est pas mesurable par cette méthode. Surtout dans le domaine des modules lumineux pour véhicules automobiles, qui impose des contraintes d'espace sur les composants électroniques, on utilise en général un nombre restreint de thermistors même si une pluralité de LEDs est présente sur un PCB, par manque de place. Evidemment la qualité de l'approximation de la 10 température des LEDs individuelles en souffre. L'invention a pour objectif de proposer une solution palliant le problème susmentionné. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer une source lumineuse LED à micro- ou nano-fils présentant des moyens de mesure de 15 température intégrés. L'invention a pour objet une source lumineuse à électroluminescence, comprenant un premier substrat et une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques faisant saillie du substrat. La source lumineuse est 20 remarquable en ce qu'elle comprend des moyens de mesure de la température des bâtonnets électroluminescents. De préférence, les bâtonnets peuvent être agencés en matrice. La matrice peut de préférence être régulière, de façon à ce qu'il existe un espacement constant entre 25 deux bâtonnets successifs d'un alignement donné, ou de façon à ce que les bâtonnets soient disposés en quinconce. La hauteur d'un bâtonnet peut de préférence être comprise entre 1 et 10 micromètres. 30 La plus grande dimension de la face terminale peut préférentiellement être inférieure à 2 micromètres. 3041202 3 De préférence, la distance minimale qui sépare deux bâtonnets immédiatement adjacents peut être égale à 10 micromètres. L'aire de la surface éclairante de la source lumineuse peut de préférence être d'au 5 plus 8 mm2. La luminance obtenue par la pluralité de bâtonnets électroluminescents peut par exemple être d'au moins 60Cd/mm2. 10 Les moyens de mesure de la température peuvent de préférence être des moyens de mesure directe de la température des bâtonnets électroluminescents. De préférence, le premier substrat peut comprendre du silicium. Avantageusement, le premier substrat est en silicium. 15 Les moyens de mesure de la température peuvent de préférence être disposés sur un deuxième substrat, le deuxième substrat étant attaché au premier substrat sur la face opposée à la face de laquelle les bâtonnets font saillie. 20 De préférence, les premier et deuxième substrats, les bâtonnets électroluminescents et les moyens de mesure peuvent être encapsulés dans un même boîtier, notamment de sorte à former un seul composant. 25 De préférence, le deuxième substrat comprend du silicium. Avantageusement, le deuxième substrat est en silicium. Les deux substrats peuvent de préférence être attachés à l'aide d'une soudure or-étain. 30 De préférence, les moyens de mesure de la température peuvent être intégrés au premier substrat. 3041202 4 Les moyens de mesure de la température peuvent de préférence être disposés parmi les bâtonnets. Les bâtonnets électroluminescents peuvent préférentiellement être réparties en 5 plusieurs groupes, les bâtonnets de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique, et en ce que la source comprend des moyens de mesure de température pour chacun des groupes. De préférence la source lumineuse peut comprendre des moyens de pilotage aptes 10 à piloter chaque groupe indépendamment des autres groupes et en fonction de la mesure de température de ce groupe. De préférence, chacun des groupes peut être apte à émettre une lumière d'une intensité spécifique. Chacun des groupes peut être apte à émettre une lumière 15 d'une couleur spécifique. Les moyens de mesure de la température peuvent de manière préférentielle comprendre une diode bipolaire. 20 De préférence les moyens de mesure de la température peuvent comprendre un circuit électronique qui base son fonctionnement sur la mesure d'une variation de la tension directe d'une diode bipolaire sous l'influence d'un courant électrique spécifique, comprenant un arrangement de transistors et/ou un générateur de courant. De préférence, ce circuit électronique peut être implanté directement dans 25 le substrat de la source lumineuse. Le circuit peut de préférence être alimenté de manière commune avec la source, donc aucune connexion supplémentaire à une source de courant dédiée n'est nécessitée. De préférence, les moyens de mesure de la température peuvent comprendre un 30 groupe de bâtonnets électroluminescents de la source. Ledit groupe parmi les bâtonnets peut de préférence être alimenté de façon périodique par ledit courant spécifique pendant une durée inférieure à la période et 3041202 5 pendant le reste de la période par un courant déterminée pour que le groupe participe à une fonction d'éclairage. Les moyens de mesure de la température peuvent de préférence comprendre un 5 circuit électronique de mesure. Le circuit de mesure peut avantageusement être intégré au premier substrat de la source. L'invention a également pour objet un module lumineux comprenant au moins une source lumineuse apte à émettre des rayons lumineux, et un dispositif optique apte 10 à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux. Le module est remarquable en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à l'invention. Les mesures de l'invention sont intéressantes en ce qu'elles permettent d'obtenir une mesure représentative de la température d'une source lumineuse à nano- ou 15 micro-fils électroluminescents, également décrits comme bâtonnets électroluminescents. Comme les moyens de températures sont directement implantés sur le substrat de la source lumineuse ou rattachés à celui-ci, la température mesurée donne une bonne indication de la température effective des jonctions semi-conductrices des bâtonnets. Selon un mode de réalisation préféré, 20 plusieurs moyens de mesure de la température peuvent être implantés à des positions spécifiques sur le substrat de la source lumineuse, ce qui permet une gestion robuste de la source et/ou de différents groupes de bâtonnets de la source. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux 25 compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation d'une source lumineuse telle qu'elle intervient dans un mode de réalisation préférentiel de la présente invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue d'en haut d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; 30 - la figure 3 est une représentation schématique d'une vue d'en haut d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; 3041202 6 la figure 5 est une représentation schématique d'une coupe latérale d'une source lumineuse selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans la description qui suit, des numéros de référence similaires seront en général 5 utilisés pour décrire des concepts similaires à travers des modes de réalisation différents de l'invention. Ainsi, les numéros 001, 101, 201, 301, 401 décrivent une source lumineuse des modes de réalisation différents conformes à l'invention. Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en 10 détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d'autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif. La figure 1 illustre une source lumineuse électroluminescente 001 selon un premier 15 mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre le principe de base de la source lumineuse. La source lumineuse 001 comprend un substrat 010 sur lequel sont disposées une série de diodes à électroluminescence sous forme de fils ou bâtonnets 020 faisant saillie du substrat. Le coeur 022 de chaque bâtonnet 020 est en matériau semi-conducteur du type n c'est-à-dire dopé en électrons, alors que 20 l'enveloppe 024 est en matériau semi-conducteur du type p c'est-à-dire dopé en trous. Une zone de recombinaison 026 est prévue entre les matériaux semiconducteurs du type n et du type p. Il est toutefois envisageable d'inverser les matériaux semi-conducteurs en fonction notamment de la technologie choisie. 25 Le substrat est avantageusement en silicium et les bâtonnets ont un diamètre de moins d'un micron. En variante, le substrat comprend une couche de matériau semi-conducteur dopé en trous et les fils ont un diamètre compris entre 100 et 500 nm. Le matériau semi-conducteur dopé en électrons et en trous formant les diodes peut avantageusement être du nitrure de gallium (GaN) ou du nitrure de gallium- 30 indium (InGaN). La hauteur d'un bâtonnet est typiquement comprise entre 1 et 10 micromètres, tandis que la plus grande dimension de la face terminale est inférieure à 2 micromètres. Selon un mode de réalisation préféré, les bâtonnets sont agencés en matrice selon une disposition régulière. La distance entre deux bâtonnets est constante et égale à au moins 10 micromètres. Les bâtonnets peuvent être 3041202 7 disposés en quinconce. L'aire de la surface éclairante d'une telle source lumineuse est d'au plus 8 mm2. La source est capable de réaliser une luminance d'au moins 60 Cd/mm2 5 En référence à la figure 1, le substrat 010 comprend une couche principale 030, avantageusement en silicium, une première électrode ou cathode 040 disposée sur la face de la couche principale qui est opposée aux bâtonnets 020, et une deuxième électrode ou anode 050 disposée sur la face comprenant les diodes 020. L'anode 050 est en contact avec le matériau semi-conducteur du type p formant les 10 enveloppes 024 des diodes 020 et s'étendant sur la face correspondante du substrat 010 de manière à former une couche conductrice entre lesdites enveloppes 024 et l'anode 050. Les coeurs ou noyaux 022 des bâtonnets sont quant à eux en contact avec la couche principale semi-conductrice 030 et ainsi en contact électrique avec la cathode 040. 15 Lors de l'application d'une tension électrique entre l'anode et la cathode, des électrons du matériau semi-conducteur du type n se recombinent avec des trous du matériau semi-conducteur du type p et émettent des photons. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice des diodes est la zone p car elle 20 est la plus radiative. Conformément à certains modes de réalisation de l'invention, la source lumineuse 001 comprend plusieurs groupes de bâtonnets électroluminescents reliés à des anodes différentes. Chaque groupe peut ainsi être alimenté électriquement 25 indépendamment de l'autre ou des autres. Les diodes ou bâtonnets de chaque groupe sont avantageusement touts du même type, c'est-à-dire émettant dans le même spectre et émettent à une intensité commune. Les groupes sont avantageusement identiques et représentent une tension directe commune. De préférence, chaque groupe comprend donc sensiblement le même nombre de fils 30 semi-conducteurs. Selon le principe de l'invention, des moyens de mesure de la température sont intégrés dans la source 001. Une telle intégration est montrée dans des modes de réalisation préférentiels et exemplaire par les figures 2 à 5. La figure 2 montre une source lumineuse 101 à 3041202 8 électroluminescence comprenant un substrat 110 et une pluralité de bâtonnets électroluminescents 120 en forme de fils faisant saillie du substrat. La source comprend en outre des moyens de mesure de la température des bâtonnets 130. Le substrat 110 est avantageusement en silicium, ce qui permet d'intégrer les 5 moyens de mesures de la température 130 directement dans le substrat 110. L'implantation directe des moyens de mesure 130 au milieu des diodes 120 permet d'obtenir un point de mesure physiquement très proche des jonctions semiconductrices dont on veut mesurer la température. Cette intégration dans la source lumineuse permet de limiter l'espace nécessaire à la disposition des moyens de 10 mesure de température, comparé à des solutions connues. Les moyens de mesure peuvent de préférence comprendre une diode bipolaire.. Avantageusement, un tel circuit électronique qui base son fonctionnement sur la mesure d'une variation de la tension directe d'une diode bipolaire sous l'influence d'un courant électrique spécifique, comprenant un arrangement de transistors et/ou un générateur de 15 courant, peut être implanté directement dans le substrat 110 de la source lumineuse. Le circuit est alimenté de manière commune avec la source 101, donc aucune connexion supplémentaire à une source de courant dédiée n'est nécessitée. Alternativement à l'utilisation d'une diode bipolaire dédiée, un groupe parmi les bâtonnets 120 de la source lumineuse 110 peut être utilisé pour obtenir 20 une mesure de la température. Dans ce cas, le groupe en question est alimenté par ledit courant électrique spécifique. Avantageusement, ledit groupe parmi les bâtonnets 120 est alimenté de façon périodique par ledit courant spécifique pendant une durée inférieure à la période et pendant le reste de la période par un courant déterminée pour que le groupe participe à une fonction d'éclairage. 25 Le mode de réalisation de la figure 3 reprend les caractéristiques de la figure 2. La source lumineuse 201 à électroluminescence comprenant un substrat 210 et une pluralité de bâtonnets électroluminescents 220 faisant saillie du substrat. Dans ce mode de réalisation, les bâtonnets 220 sont répartis en trois groupes distincts 222, 30 224, 226. Evidemment, une pluralité plus importante de groupes peut être prévue pour une source de lumière donnée et suivant l'application visée. Bien que les groupes soient représentés sous forme de bandes, leur géométrie peut être arbitraire. Chaque groupe comprend des bâtonnets électroluminescents 220 ayant des caractéristiques similaires et peut être alimenté de manière indépendante, de 3041202 9 façon à ce que chaque groupe émette une lumière ayant une intensité et/ou une couleur spécifique. La source comprend en outre des moyens de mesure de la température des diodes 230 pour chacun des groupes 222, 224, 226. Le substrat 210 est avantageusement en silicium, ce qui permet d'intégrer les moyens de 5 mesures de la température 230 directement dans le substrat 210. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la source lumineuse 301 à électroluminescence comprend un premier substrat 310 et une pluralité de bâtonnets électroluminescents 320 faisant saillie du substrat. Dans ce mode de 10 réalisation, des moyens de mesure de la température des bâtonnets sont implantés sur un deuxième substrat 340 attaché au premier substrat 310, de manière à garantir une bonne liaison thermique entre les deux substrats. Les deux substrats sont attachés l'un à l'autre à l'aide, par exemple d'une soudure or-étain. Le deuxième substrat 340 est attaché au premier substrat 310 sur la face de ce dernier 15 qui est opposée à la face sur laquelle les diodes 320 font saillie. L'emplacement des moyens de mesure de température 330 est choisi de façon à obtenir une mesure représentative de la température des bâtonnets 320. Le composant résultant de cet assemblage est de type « multi chip package », le deuxième substrat intégrant une fonction additionnelle, c'est-à-dire la mesure de température, par rapport à la 20 fonction primaire de la source, qui est l'émission de rayons lumineux. Le mode de réalisation de la figure 5 reprend les caractéristiques de la figure 3. La source lumineuse 401 à électroluminescence comprenant un substrat 410 et une pluralité de bâtonnets électroluminescents 420 faisant saillie du substrat. Dans ce 25 mode de réalisation, les bâtonnets 420 sont répartis en trois groupes distincts 422, 424, 426. Une pluralité plus importante de groupes peut être prévue pour une source de lumière donnée et suivant l'application visée, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Bien que les groupes soient représentés sous forme de bandes, leur géométrie peut être arbitraire. Chaque groupe comprend des 30 bâtonnets 420 ayant des caractéristiques similaires et peut être alimenté de manière indépendante, de façon à ce que chaque groupe émette une lumière ayant une intensité et/ou une couleur spécifique. La source comprend en outre des moyens de mesure de la température des bâtonnets 430 pour chacun des groupes 422, 424, 426. Les moyens de mesure 430 peuvent être implantés sur un 3041202 10 deuxième substrat 440 commun à tous les moyens de mesure. Alternativement, un substrat dédié par moyens 430 peut être prévu. Le ou les substrats 430 sont attachés au premier substrat de manière similaire au mode de réalisation de la figure 4 décrit plus haut. L'emplacement des moyens 430 est choisi de manière à 5 pouvoir mesurer, pour chacun des groupes de bâtonnets 422, 424, 426, une température représentative des bâtonnets en question. REVENDICATIONS1 Source lumineuse (101, 201, 301, 401) à semi-conducteur, comprenant : - un premier substrat (110, 210, 310, 410); - une pluralité de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques (120, 220, 320, 420) faisant saillie du substrat ; caractérisée en ce que la source comprend des moyens de mesure de la température des bâtonnets électroluminescents (130, 230, 330, 430). 2. Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier substrat comprend du silicium. 3. Source lumineuse selon une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (330, 430) sont disposés sur un deuxième substrat (340, 440), le deuxième substrat étant attaché au premier substrat (310, 410) sur la face opposée à la face de laquelle les bâtonnets (320, 420) font saillie.4. 5. 6. 7 Source lumineuse selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième substrat comprend du silicium. Source lumineuse selon une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les deux substrats sont attachés à l'aide d'une soudure or-étain. Source lumineuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (130, 230) sont intégrés au premier substrat (110, 210). Source lumineuse selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (130, 230) sont disposés parmi les bâtonnets (220). 3041202 12 8. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les bâtonnets (220, 420) sont répartis en plusieurs groupes (222, 224, 226, 422, 424, 426), les bâtonnets de chaque groupe étant aptes à émettre une lumière spécifique, et en ce que la source comprend des moyens de 5 mesure de température (230, 430) pour chacun des groupes. Source lumineuse selon la revendication 8, caractérisée en ce que chacun des groupes est apte à émettre une lumière d'intensité et/ou de couleur spécifique. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (130, 230, 330, 430) comprennent une diode bipolaire. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (130, 230, 330, 430) comprennent un groupe de bâtonnets électroluminescents (120, 220, 320, 420) de la source. Source lumineuse selon une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la température (130, 230, 330, 430) comprennent un circuit électronique de mesure. Source lumineuse selon la revendication 12, caractérisée en ce que le circuit de mesure est intégré au premier substrat (110, 210) de la source. Module lumineux comprenant : au moins une source lumineuse (101, 201, 301, 401) apte à émettre des rayons lumineux ; 30 un dispositif optique apte à recevoir les rayons lumineux et à produire un faisceau lumineux ; caractérisé en ce que la ou les sources lumineuses sont conformes à une des revendications 1 à 13. 9. 10 10. 15 11. 20 12. 13. 25 14.