Exploration, conception et mise en œuvre de circuit de pilotage pour micro-écrans à LED GaN

Study and design of a driving circuit for GaN LED microdisplays

• Auteur / Autrice : Yoann Seauve
• Direction : Gilles Sicard, Margaux Vigier, Thomas Pilloix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 08/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Clerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Margaux Vigier, François Templier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wilfried Patrick Uhring, Dominique Ginhac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Diodes électroluminescentes

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Led

Circuit de contrôle

Lifi

Micro-Écran

Led

Control circuit

Lifi

Micro-Display

Résumé

Les avancées récentes dans le domaine de la fabrication de LEDs Inorganiques permettent la production de LEDs GaN à l’échelle micrométrique. Ces composant optiques, jusqu’ici produits uniquement dans des dimensions importantes, peuvent être associés à un circuit de pilotage CMOS afin de produire des micro-écrans. Les micro-LEDs produites en GaN offrent une luminance maximum et une vitesse de commutation bien supérieures aux autres technologies LEDs généralement utilisées à l’échelle micrométrique. Cependant, elles présentent aussi des caractéristiques électriques spécifiques, telles qu’une efficacité réduite et une dispersion de fonctionnement accrue pour une utilisation sous un faible courant. Ainsi, les méthodes de pilotage couramment utilisées avec d’autres technologies LED s’avèrent peu adaptées.Cette thèse a pour objectif le développement de circuits de pilotage pixel adaptés aux micro-LEDs GaN, autant par le type de pilotage mis en place que par un encombrement compatible avec la surface des LEDs employées. Une première partie des travaux porte sur les applications d’affichage, avec une matrice de pixels compacte exploitant la forte luminance des LEDs, tout en présentant une grande résolution. L’utilisation d’un pilotage de type PWM, avec un fonctionnement intermittent des LEDs sous un fort courant, est retenu en raison des spécificités électriques de ces dernières. Afin de maintenir des dimensions réduites pour ce circuit pixel malgré la relative complexité du pilotage mis en place, une construction en 3D du circuit est présentée. Un dérivé de la technologie 3D CoolCube développée au CEA Leti est envisagé afin de construire un micro-écran sur trois niveaux superposés. Le circuit de pilotage est réparti entre les deux premiers niveaux, constitués de circuits CMOS implémentés avec des transistors de natures différentes. Tandis que les LEDs GaN constituent le troisième niveau de l’assemblage.La seconde partie des travaux est orientée vers l’exploitation du temps de commutation réduit des LEDs GaN. Cette capacité à générer un signal optique de fréquence élevée s’avère particulièrement intéressante pour la réalisation de systèmes de communication optique. Plusieurs émetteurs de communication optique en champ libre, utilisant une LED GaN pour réaliser des transferts de données avec un débit de plusieurs Gb/s, sont présentés dans la littérature. Ces systèmes mono-LED, bien que rapides, s’avèrent complexes à mettre en œuvre et particulièrement encombrants. Des émetteurs utilisant une multitude de LEDs, émettant chacune une fraction du signal optique utilisé pour la transmission, constituent une implémentation alternative. Bien que les transmissions réalisées avec ce type d’équipement restent pour l’instant plus lentes, les émetteurs matricés s’avèrent beaucoup plus compacts. Le développement d’un circuit pixel binaire, permettant la commutation d’une LED entre les deux seuls états, allumé et éteint, est présenté. Grace à un mécanisme de compensation de la capacité parasite induite par la LED, ce circuit atteint une fréquence de commutation de 333 MHz. Enfin, une réflexion quant à l’organisation d’un ensemble de ces pixels au sein d’un émetteur matricé, amène à un contrôle thermométrique des différents pixels. La répartition des LEDs à allumer en fonction du code d’entrée qui en découle permet en effet d’assurer la monotonicité de la conversion réalisée, et offre une linéarité accrue par rapport à d’autres modes de décodages plus simples d’implémentation.

Recent advances in the field on inorganic LEDs, allow for manufacturing of GaN LEDs at micrometer scale. These optical devices, which were initially only manufactured with large dimensions, can be associated to a CMOS driving circuit to form micro-displays. GaN based micro-LEDs offer a maximum brightness and a commutation speed, well above other LEDs technologies used at micrometer scale. However, they also have specific electrical characteristics, such as reduced efficiency and large dispersion of behavior, when used with a reduced current. Consequently, driving methods commonly used with other types of LEDs are not appropriate for the control of such devices.This thesis focusses on the design of pixel driving circuits suitable for micro GaN LEDs, both in terms of implemented driving method and footprint compliance with the size of used LEDs. The first part of this work focusses on display applications, with a compact pixel matrix exploiting LEDs high brightness, while offering a large resolution. A PWM driving scheme, which implies sporadic operation of the LEDs under high current, is chosen to deal with LEDs specificities. In order to insure low silicon footprint despite the relatively high complexity of PWM driving, a 3D manufacturing of the circuit is introduced. A derivative of the CoolCube 3D technology that is developed by CEA Leti, is considered to manufacture a micro-display on three superposed levels. The driving circuit is split between the two first levels, made a CMOS circuit with different types of transistors. An array of GaN LEDs form the third level for the display.The second part of this thesis focusses on exploiting the reduced commutation time of the GaN LEDs. The ability to generate a high frequency optical signal is appropriate for building visible light communication emitters. Several free space optical communication emitters reported in the literature use a single GaN LED to transmit data at several Gb/s. Although, these single LED emitters are very fast, they are cumbersome and complex to build. Other emitters, based on a group of LEDs each emitting a part of the optical signal, forms an alternative solution. Even though data transmission is currently slower using these emitters, matrix based emitters are much more compact. This work introduce the design of a binary pixel, which make the LED switch between its two possible states, ON and OFF. Thanks to a LED introduced parasitic capacitance compensation method, this circuit reaches a 333 MHz operation frequency. Finally, a study of the best pixels organization inside the array led to a thermometer type of pixel control. The resulting association between each input code and the activated pixels insures the conversion monotonicity. It also shows a better linearity than other matrix control schemes with simpler implementations.