Brevet FR3066322A1 — publié le 20181116

Dispositif d'émission lumineuse à LEDs émettant dans le domaine des UVC Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un dispositif d'émission lumineuse à diodes électroluminescentes (ou LEDs). L'invention est particulièrement intéressante notamment pour la stimulation du métabolisme secondaire des plantes, la stimulation de leurs défenses naturelles, la stimulation de la croissance et du développement des végétaux, la stimulation des mécanismes de tolérance aux stress abiotiques des plantes, la décontamination chimique et biologique de l'eau, de l'air et des surfaces des végétaux. Pour de telles applications, de fortes densités de puissance sont requises. Or, il n'existe pas aujourd'hui de dispositif simple et peu onéreux à base de LEDs adapté pour produire, dans le domaine des ultraviolets UVC, une puissance lumineuse suffisante pour de telles applications. Description de l'invention L'invention propose un nouveau dispositif d'émission lumineuse comprenant : - une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde X d'émission inférieure à 300 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde X d'émission supérieure à un gap optique Eg, où Eg = h.c/X, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et - un dispositif de confinement adapté pour confiner et générer l'amplification de l'onde photonique. De préférence, la longueur d'onde d'émission des LEDs est inférieure à 270 nm. Classiquement, lorsqu'une LED est alimentée par un courant d'alimentation, des paires électroniques électron/trou sont injectées dans la cavité semiconductrice constituant la zone active de la LED et se recombinent spontanément en émettant un photon selon la relation : (le+ + le-) 1 hvsp (1) La puissance lumineuse ainsi émise est proportionnelle au taux d'émission spontané de la LED, lui-même proportionnel au courant d'alimentation de la LED. De manière fortuite, les inventeurs ont mis en évidence un phénomène de superluminescence lors d'essais sur une pluralité de LEDs ayant une longueur d'onde d'émission inférieure à 300 nm et confinées à l'intérieur d'un dispositif adapté pour réfléchir sur lesdites LEDs au moins une partie de la puissance lumineuse émise par les LEDs. Plus précisément, lorsque le courant d'alimentation la augmente alors la puissance optique émise par les LEDs augmente. En conséquence, le nombre de photons présents dans le 3066322 2 dispositif de confinement augmente et un nombre non négligeable de ces photons est réinjecté par rétrodiffusion ou réflexion dans la cavité semiconductrice constituant la zone active des LEDs où ils interagissent avec les paires électroniques injectées par le courant d'alimentation la dans la zone active des LEDS . Les photons réinjectés vont ainsi renforcer l'émission lumineuse spontanée des LEDs en 5 permettant d'atteindre la transparence optique. L'émission spontanée naturelle équilibre alors l'absorption optique intrinsèque du matériau semiconducteur constituant les LEDs. Alors tout photon supplémentaire va interagir avec une paire électronique en produisant la réaction optoélectronique suivante caractéristique de l'émission stimulée ou superluminescence : (1e+ + le-) + 1 hvsp 2 hvsp (2) 10 Par la suite, une réaction en chaîne va se produire.Les photons stimulent la recombinaison des paires électroniques (le + + le-) injectées par le courant et contribuent à leur multiplication par un phénomène d'avalanche qui croît de façon exponentielle avec le courant d'alimentation la des LEDs. Cet effet est appelé émission spontanée amplifiée ou superluminescence. Cette amplification de l'émission spontanée des LEDs est rendue possible par le fait que l'écart entre le 15 niveau de Fermi des électrons Efc et le niveau de Fermi des trous Efv est supérieur ou égal à la largeur de bande interdite du matériau semiconducteur constituant la zone active des LEDs pour produire des photons dont l'énergie E = hvsp est supérieure ou égale à la largeur de bande interdite ou gap optique. Cette condition est dite de Duraffourg. Pour un matériau émettant dans les UVC, c'est-à-dire un matériau dont la longueur d'onde X d'émission est inférieure à 300 nm, le gap optique est égal à Eg = h.c/X = 4,13 20 eV selon la relation de Planck-Einstein, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière. Pour un matériau dont la longueur d'onde X d'émission est inférieure à 270 nm, le gap optique est égal à Eg h.c/X 4,6 eV Lorsque la condition de Duraffourg est atteinte, l'émission spontanée du matériau devient égale ou légèrement supérieure à son absorption intrinsèque, la population de photons augmente alors très vite 25 avec le courant. C'est la condition nécessaire pour que la probabilité que les photons interagissent avec les paires électron/trou injectées par le courant tende vers 1. Ainsi le nombre de photons va croître de façon exponentielle dans la zone active des LEDs sans réflexion d'extrémité et dans le milieu délimité par le dispositif de confinement selon un processus d'avalanche photonique, décrit par la relation suivante : Popt (X) = (h.c/X).[n(X)/c].Rsp.Gza, avec Gza = {(exp[(g(X)-a(X)).11-1)/(g(X)-cx,(X))1 (3) où h représente la constante de Planck, X la longueur d'onde d'émission des LEDs, L la longueur de la zone active des LEDs, a(X) le coefficient d'absorption intrinsèque du milieu propre à la zone active, Rsp est 3066322 3 le facteur d'émission spontanée spécifique du semiconducteur constituant la zone active des LEDs. g(X) est le gain modal du milieu, il augmente proportionnellement au courant électrique injecté dans la zone active de la LED. Le terme n(X)/c définit quant à lui la taille du mode guidé dans la zone active des LEDs. Le facteur d'émission spontanée Rsp est amplifié par le gain Gza de la zone active dès que le gain optique 5 g(X) est suffisamment élevé pour compenser l'absorption intrinsèque du matériau semiconducteur, c'est- à-dire dès que (g(X) > cx,(X). Selon un mode de réalisation, la ou les LEDs peuvent être remplacées par des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (UVCSEL). Ces structures émettent un faisceau optique plus directif que les LEDs classiques ou les lasers à émission latérale par la tranche. Ainsi le couplage est meilleur et les 10 pertes optiques beaucoup plus faibles. Selon un mode de réalisation, la zone active des LEDs est réalisée dans un matériau semiconducteur de type Aluminium-Galium-nitride (GaxAll,N), x étant un nombre réel, de préférence compris entre 0,45 et 0,7. Un tel matériau a une longueur d'onde d'émission dans les UVC comprise entre 200 et 300 nm, selon la valeur de x. Le choix de la valeur de x permet d'optimiser la fabrication des LEDs ou des UVCSEL.s. 15 Dans un exemple, avec x = 0,53, le matériau semiconducteur Aluminium-Galium-nitride (Gao,53Alo,47N) émet à 265 nm et l'énergie des photons émis par le matériau excité est de l'ordre de 4,7 eV, supérieure donc au gap optique Eg qui est de l'ordre de 4,63 eV pour une longueur d'onde de 265 nm. La condition dite de Duraffourg est donc atteinte pour le rayonnement UVC à 265 nm dans ce matériau : Efc-Efy = hvsp > Eg (4) 20 Selon un mode de réalisation, le dispositif de confinement est une sphère intégrante ou sphère d'Ulbricht à l'intérieur de laquelle la ou les LEDs sont positionnées, le dispositif de confinement étant adapté pour réfléchir au moins une partie du signal lumineux sur une zone d'émission des LEDs. Une telle sphère permet de confiner au maximum la lumière émise par les LEDs. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de confinement peut comprendre une structure 25 comprenant une zone active comprenant une pluralité de couches de semi-conducteurs qui enferme une cavité de confinement formant également un guide amplificateur, le dispositif de confinement étant couplé en sortie de la diode pour recevoir l'onde photonique émise par la LED. Le dispositif de confinement est par exemple un amplificateur optique fuselé (également connu sous l'expression anglo-saxonne « tapered amplifier ») comme on le verra mieux plus loin. Un tel amplificateur semiconducteur 30 présente l'avantage de pouvoir être réalisé en même temps que les LEDs selon un procédé connu par 3066322 4 ailleurs. La densité de puissance produite par le guide amplificateur est fonction d'une largeur du dit guide amplificateur. Un dispositif selon l'invention peut notamment être utilisé pour le traitement des plantes par rayonnement UVC. 5 Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit d'exemples de mise en oeuvre d'un dispositif d'émission lumineuse selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en 10 relation avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention - les figures 2 à 4 montrent des résultats de mesures réalisées sur le dispositif de la figure 1, - la figure 7 est un schéma d'un autre dispositif selon l'invention et - les figures 5 et 6 détaillent les éléments de la figure 7. 15 Description d'un mode de réalisation de l'invention Comme dit précédemment, l'invention concerne un dispositif d'émission lumineuse comprenant : - une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde X d'émission inférieure à 300 nm et ayant une énergie à la longueur 20 d'onde X supérieure à un gap optique Eg = h.c/X, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et - un dispositif de confinement adapté pour confiner et amplifier l'onde photonique. La figure 1 montre un prototype 10 selon l'invention permettant de caractériser le processus de superluminescence. Vingt LEDs 11 sont positionnées sur une carte électronique, connectées en dix 25 branches parallèles comprenant chacune deux LEDs en série. Les LEDs sont réalisées dans un matériau semiconducteur de type GaxAli_xN, avec x = 0,53 . Les LEDs sont positionnées à l'intérieur d'une sphère intégrante 12 (encore appelée sphère d'Ulbricht) qui homogénéise le rayonnement optique produit par les LEDs tout en assurant le confinement du rayonnement optique. La carte électronique supportant les LEDs est stabilisée en température par un circuit thermique comprenant un dispositif Peltier 13 couplé à 30 un radiateur 14 de dissipation thermique. Un dispositif d'alimentation comprend une source de tension 3066322 5 15 en série avec un boîtier 16 de dix résistances de 10 S'2 chacune alimente les dix branches de LEDs. Les dix résistances permettent également de mesurer le courant circulant dans chaque branche de LEDs. Pour la mesure de la puissance lumineuse émise par les LEDs, une photodiode 17 est également positionnée à l'intérieur de la sphère intégrante. Lorsqu'elle est éclairée, la photodiode en régime linéaire 5 produit un photocourant lph directement proportionnel à la puissance lumineuse qu'elle reçoit à travers sa surface active ; à l'intérieur de la sphère intégrante, la puissance reçue sur la surface active de la photodiode étant égale à la puissance optique rayonnée par les LEDs multipliée par le rapport entre la surface active de la photodiode et la surface intérieure de la sphère intégrante, le photocourant I ph(X) émis par la photodiode est donc directement proportionnel à la puissance lumineuse rayonnée par les 10 LEDs, et plus précisément ici avec la photodiode choisie : lph = S(X)*Popt(X) (5), avec S = 0,1 A/W, lph(X) étant mesuré en Ampère (A). Par commodité pour la mesure, la photodiode débite sur une résistance 18 de charge, ici de 470 I REVENDICATIONS1. Dispositif d'émission lumineuse comprenant : - une pluralité de diodes électroluminescentes (LEDs) adaptées pour émettre une onde photonique ayant une longueur d'onde X d'émission inférieure à 300 nm et ayant une énergie à la longueur d'onde X d'émission supérieure à un gap optique Eg égal à Eg = h.c/X, h étant la constante de Planck et c étant la vitesse de la lumière, la pluralité de LEDs comprenant au moins une LED, et - un dispositif de confinement adapté pour confiner et amplifier l'onde photonique. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la longueur d'onde d'émission des LEDs est inférieure à 270 nm. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel la ou les LEDs sont des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (UVCSEL). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la zone active des LEDs est réalisée dans un matériau semiconducteur de type Aluminium-Galium-nitride (GaxAll_xN), x étant un nombre réel. 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel dans lequel x est compris entre 0,45 et 0,7, et de préférence x = 0,53. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le dispositif de confinement est une sphère intégrante ou sphère d'Ulbricht à l'intérieur de laquelle la ou les LEDs sont positionnées, le dispositif de confinement étant adapté pour réfléchir au moins une partie du signal lumineux sur une zone d'émission des LEDs. 7. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 5 dans lequel le dispositif de confinement comprend une zone active comprenant une pluralité de couches de semi-conducteurs qui enferme une cavité de confinement formant également un guide amplificateur, le dispositif de confinement étant couplé en sortie de la diode pour recevoir l'onde photonique émise par la LED. 8. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de confinement est un amplificateur optique fuselé (tapered amplifier). 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 8 dans lequel la densité de puissance produite par le guide amplificateur est fonction d'une largeur du dit guide amplificateur. 3066322 12 10.Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes pour le traitement des plantes par rayonnement UVC.