Modélisation d’une LED infrarouge sous COMSOL Multiphysics

Matériaux :

Après avoir dessiné notre structure de la LED, nous allons définir les matériaux qui la compose. Pour ajouter un matériau, clic droit sur « Materials » dans « Model Builder », une fenêtre s’affiche à droite dans le logiciel, il suffit de sélectionner Semiconductor ensuite GaAs – Gallium Arsenide, Puis appuyer sur « Add to Component ». COMSOL permette aussi de spécifier le domaine du matériau, et il y même la possibilité de sélectionner un matériau pour chaque domaine s’il y en a plusieurs par exemple si on veut ajouter un substrat, nous pouvons choisir le silicium comme matériau et le GaAs pour la géométrie de la LED. Après la définition des matériaux, il s’agira de paramétrer les conditions aux limites de notre structure (partie physique du modèle). Nous allons ainsi définir les dopages, les contacts, le type de recombinaison, etc… de notre semi-conducteur [19]. Après la définition des matériaux, il s’agira de paramétrer les conditions aux limites de la structure (partie physique du modèle). Nous allons ainsi définir les dopages, les contacts, le type de recombinaison, etc… de notre semi-conducteur. – On ajoute un modèle de dopage afin de pouvoir définir le type de dopage soi P ou N, et aussi on peut spécifier le domaine et la concentration et même la position de dopage. Le module de P et N contact pour appliquer une tension (1.5 V) au zone de dopage P et une tension nulle (0 V) au zone de dopage N. Le module Optical transition est au but de pouvoir calculer les résultat d’électroluminescence et aussi permettre de sélectionner le type de l’émission ‘ (spontané ou bien stimulée). Le Auger recombinaison pour définir le type des recombinaisons non-radiative, il existe plusieurs mécanismes de recombinaison, pour notre modèle nous avons choisi la recombinaison d’Auger.

Le Maillage :

L’étape de maillage est faite pour résoudre les problèmes posés en utilisant la méthode des éléments finis, c’est à dire discrétiser un système continu. Le principe de cette discrétisation consiste à découper une structure en morceaux (mailles) pour chercher une solution du problème sur chacune des mailles. COMSOL Multiphysics propose plusieurs types de maillages prédéfinis. Dans notre application LED infrarouge, nous avons opté pour un maillage géré par la physique, c.-à-d. un maillage géré par le logiciel en fonction des paramètres que nous avons définis préalablement. Après avoir terminé avec le maillage du modèle qu’on souhaite simuler, nous passons vers la partie étude « Study » afin de lancer le calcul de notre modélisation. Il est à noter que ce dernier dépend de la taille de maillage, plus on augmente les noeuds de calcul plus le calcul est lent et inversement.

Influence de dimensions : Pour vérifier l’impact des dimensions sur les performances de la LED infrarouge, nous avons choisi de varier la hauteur H et la largeur L de cette dernière. L’évolution du courant en fonction de la tension, le taux d’émission ainsi que l’efficacité quantique interne seront ainsi affichés. – L’évolution de courant en fonction de la tension : Pour commencer, nous allons voir l’influence des dimensions de la LED infrarouge (hauteur et largeur) sur le courant en fonction de la tension. La figure 3.2 montre les résultats obtenus. Nous remarquons que la valeur de tension de seuil reste la même (0.81V) pour toutes les valeurs de (H) et de (L) simulées. Cela signifie que la tension de seuil ne dépend pas des dimensions de la LED car ce paramètre dépend du type de matériau. – Le taux d’émission en fonction de courant : Nous allons voir l’influence des dimensions H et L sur le taux d’émission de notre LED infrarouge. Les résultats obtenus sont présentés dans la figure 3.3 qui suit. D’après les résultats obtenus, nous remarquons que le taux d’émission dépend fortement des dimensions de la LED, plus spécialement la largeur de cette dernière. Ainsi, en multipliant par 3 la largeur de la LED infrarouge (de 20μm à 60μm), le taux d’émission est lui multiplié par 3 aussi (de 1.7×1017 1/s à 5×1017 1/s). Par contre, l’augmentation de la hauteur de la LED engendre une diminution de taux d‘émission (1.7×1017 pour H=10 μm et 1.3×1017 pour H=30 μm). En rassemblant ces informations, nous pouvons constater que la meilleure géométrie à retenir pour notre LED infrarouge est de H=10 et L=60 pour avoir un taux d’émission important.

Conclusion générale :

Les semi-conducteurs font partie intégrante de notre quotidien, nous les retrouvons et utilisons partout, en allant de la simple diode aux transistors et circuits intégré. Il existe un nombre important de matériaux semi-conducteurs ceci permet d’avoir une grande variété d’applications touchant à différents secteurs. Dans ce travail, nous avons visé une application en particulier, qui est l’émission infrarouge. Pour cela, nous avons opté pour la modélisation d’une LED permettant justement cette application. Avant d’entamer la modélisation, nous avons commencé par faire un rappel sur les semi-conducteurs et les ondes infrarouges. Nous avons ensuite donné quelques notions sur le principe de fonctionnement d’une LED, avant de citer les matériaux semi-conducteurs permettant l’émission infrarouge. Le logiciel Comsol Multiphysics ainsi que son fonctionnement ont ensuite été détaillées. Nous avons commencé par présenter le logiciel et ses outils avant de donner les étapes à suivre pour une modélisation d’une physique « semi-conducteur » sur ce dernier.

Ceci nous a permis de mieux préparer la dernière partie de notre travail. Dans la dernière partie, nous avons repris les étapes du chapitre II citées précédemment. Nous avons ensuite entrepris des modifications sur les dimensions, design, géométrie, matériaux afin de définir une structure efficace permettant l’émission infrarouge. Nous avons ainsi constaté que la forme 01 présenté dans ce travail nous a permis d’obtenir les meilleurs résultats en termes de taux d’émission et efficacité quantique interne. Aussi, les dimensions retenues sont une hauteur H = 10μm et L = 60μm. En ce qui concerne le matériau adéquat, nous avons constaté des résultats comparables entre le GaAs et AlGaAs avec néanmoins un léger avantage au matériau AlGaAs. Comme perspectives, nous pouvons envisager des simulations plus poussées sur l’impact des géométries, design en rajoutant d’autres types de matériaux. Aussi, nous pouvons passer à la modélisation 3D permettant une meilleure conception proche de la réalité. Enfin, ce travail nous a permis d’ouvrir la voie à l’utilisation d’un outil puissant très peu utilisé dans le domaine des semi-conducteurs, à savoir Comsol Multiphysics. Ceci permettra de tester d’autres applications des semi-conducteurs (transistors, photovoltaïque, etc…).