extraction de la lumière par cristaux photoniques, application aux leds po-14 photonic crystals...

Extraction de la lumière par Extraction de la lumière par cristaux photoniques, application cristaux photoniques, application

aux LEDsaux LEDs

PO-14 Photonic crystalsPO-14 Photonic crystals

Gabriel ChristmannGabriel Christmann

PO 14 Photonic crystalsPO 14 Photonic crystalsGabriel ChristmannGabriel Christmann

PlanPlan

• MotivationMotivation• Extraction par des méthodes Extraction par des méthodes géométriquesgéométriques• Extraction par microcavitésExtraction par microcavités• Cristaux photoniques : inhibition des Cristaux photoniques : inhibition des modes guidésmodes guidés• Cristaux photoniques : extraction par Cristaux photoniques : extraction par diffractiondiffraction• RéalisationsRéalisations


MotivationMotivation

• LEDs bleues à base de nitrures d’éléments III avec un phosphore jaune pour obtenir du blanc• Potentiel énorme pour le marché de l’éclairage• Efficacité limitée par l’extraction

GaN

QW

Saphir

2~4 μm

Substrat

Phosphore

substrat transparent

Extraction par face : 4%Extraction par face après encapsulation dans de l’epoxy : 10%


Approches géométriquesApproches géométriques

Modification de l’état de surface Modification de

la géométrie

Hewlett-Packard, pyramide tronquée inversée AlGaInP/GaP

60% efficacité quantique externeM. R. Krames et al. APL 75, 2365 (1999)

UCSB LED InGaNSurface rugueuse

T. Fujii et al. APL 84, 855(2004)

Osram : ThinGaN® 75% d’extraction (laser liftoff + traitement de surface)V. Haerle et al. phys. stat. Sol. (a) 201, 2736 (2004)


LED à microcavitéLED à microcavité

Modification de la direction de l’émission

Proposé et réalisé dans GaAs/AlGaAs par:

E. F. Schubert et al. APL 60 921 (1992)

• Emission directionnelle• Meilleure extraction• Spectre d’émission plus pur

La cavité doit avoir une épaisseur multiple de la demi longueur d’onde

L’émetteur doit être placé au niveau d’un ventre de champ

DBR

Cavité λ

Miroirmétallique

Cavité λ/2

Il y a toujours des modes guidésL’épaisseur de cavité doit être faible pour maximiser l’extraction


LED à microcavitéLED à microcavitéRéalisations dans les nitrures d’éléments IIIEPFL (AlInN/GaN DBR)

Modification de l’émissionJ. Dorsaz et al. APL 97 084505 (2005)

UCSB (miroir métallique)

Faible épaisseur effective (2λ)

Extraction x3

P. Morgan Pattison et al. APL 90 031111 (2007)

Pour un DBR Possibilité de croissance par épitaxie Hautes réflectivités (>99%) possibles Croissance difficiles dans les nitrures Rajoute une épaisseur effective

Pour un miroir métallique Ne rajoute pas d’épaisseur effective Introduit de l’absorption nécessite des étapes technologiques complexes (liftoff, wafer bonding…)

La meilleure extraction est en théorie de 31% dans l’air, 44%

dans l’époxy, ce qui reste faible


Cristaux photoniques : Cristaux photoniques : Inhibition des modes guidésInhibition des modes guidés

Cristal photoniqueInhibition des modes guidés

La lumière ne peut être émise que vers le haut

Zoneactive

Dans GaInAsP

Nécessite une très bonne efficacité radiative

M. Fujita et al. Science 308 1296 (2005)


Cristaux photoniques : Cristaux photoniques : DiffractionDiffraction

Condition de diffraction :

0// kGk

G

: vecteurs du réseau réciproque du cristal photonique



Article de revue, théorie :A. David et al. Journal of Display Technology 3 133

dt

dt

L’émission se fait au sein du cristal photonique

L’émission se fait dans une région 2D couplée au cristal photoniqueCas plus réaliste en vue du dépôt

de contacts sur une LED

GaN

Saphir

GaN

Saphir



0// kGk

Les modes diffractés (tels que : ), appelés mode de fuite ont un vecteur d’onde dans le plan imaginaire, du fait des pertes par diffraction

'''// kikk

Par conséquent k’’ traduit l’efficacité du phénomène de diffraction

Le mode de fuite décroit exponentiellement au cours de sa propagation

''21,

2

kLeE decayLx

decay


Diffraction : influence de la Diffraction : influence de la profondeur de gravureprofondeur de gravure

d

t

T+d=8a

GaN

Saphir

nGaN=2.5

nSaphir=1.7

Réseau triangulaire, facteur de remplissage f = 0.3, mode TE1

• L’efficacité d’extraction croît avec la profondeur de gravure avant de s’effondrer• Le mode guidé existe toujours car l’indice effectif du GaN gravé reste toujours supérieur à celui du saphir


Diffraction : influence de la Diffraction : influence de la profondeur de gravureprofondeur de gravure

d

t

T + d = 4a ~ 1μm

GaN

Saphir

nGaN = 2.5

nSaphir = 1.7

Cas multimode du guide

Réseau 1D, facteur de remplissage f = 0.56 modes TE et 6 modes TM pour a/λ=0.39

Pour améliorer l’extraction il faut graver profondément, on est dans un

cas semblable au cas monomode

En pratique c’est quasiment impossible de graver profondément.

De toute façons la gravure de la région active augmente les recombinaisons non radiatives


Diffraction : Couplage entre le Diffraction : Couplage entre le cristal photonique et une région 2Dcristal photonique et une région 2D

dtGaN

Saphir

Le mode guidé dans la zone d’émission (2D) doit se coupler au cristal photonique

L’efficacité de couplage diminue avec la profondeur de gravure, ce qui est logique puisqu’il y a de moins en moins de modes

propagatifs dans le cristal photoniqueMêmes paramètres que

précédemment

Solution ?


Diffraction : Modification de la Diffraction : Modification de la distribution des modesdistribution des modes

Insertion d’une couche de bas indice, pour utiliser un cristal photonique gravé peu profondA. David et al. APL 88 061124 (2006)

• Les modes de bas ordre ont un indice effectif haut, ils sont confinés par la couche de bas indice, et restent dans le buffer• Les modes d’ordre plus important ont un indice effectif plus faible et ne sont donc pas confinés par la couche de bas indice

Autre solution : amincissement de la couche de GaN par des étapes technologiques


Diffraction : Importance du Diffraction : Importance du choix du type de réseauchoix du type de réseau

Pour obtenir une bonne extraction, il faut que celle-ci soit omnidirectionnelle

Réseau triangulaire

Problème : pas d’extraction suivant ΓK

Utilisation d’un cristal photonique de plus grand ordre

Extraction omnidirectionnelle La longueur d’extraction augmente vu que le paramètre de maille augmente


θ

Choix du type de réseau : Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisinsnombre de plus proche voisins

in

outn

narctan2

Nombre de plus proches voisins pour être isotrope

GaAs :

GaN :

1225.11360 ,32 N

92.8360 ,44 N

GaAs : Réseau archimédien

Quasi symétrie 12

GaN : ? Pavage de Penrose (10) ?

M. Rattier et al. APL 83 1231

(2003)

S. P. Gorkhali et al. APL 86 011110 (2005)


Choix du type de réseau : Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisinsnombre de plus proche voisins

Rapport entre l’extraction dans l’air et l’extraction dans le substrat

2

0 )(

)(

2

1d

p

p

subs

airextract

Air

Epoxy


RéalisationsRéalisationsLumileds (2004)

J. J. Wierer et al. APL 84 3885 (2004)

• Meilleure extraction• Modification de l’émission

UCSB (2006)

A. David et al. APL 88 073510 (2006)

• Résultats préliminaires

A. David et al. APL 88 133514 (2006)

Réseau archimedien

LED, Liftoff amincie


RéalisationsRéalisationsUniversity of Kansas (2004)

J. Shakya et al. APL 85 142 (2004)

• Mesures d’amélioration de l’extraction…

Seoul National University (2005)

Dong-Ho Kim et al. APL 87 203508 (2005)


ConclusionConclusion

Les cristaux photoniques vont-ils se Les cristaux photoniques vont-ils se retrouver sur le marché des LEDs ?retrouver sur le marché des LEDs ?

On prévoit une efficacité d’extraction de 90% sur les On prévoit une efficacité d’extraction de 90% sur les modes guidés, et donc avec l’extraction directe, on modes guidés, et donc avec l’extraction directe, on peut espérer un taux d’extraction supérieur à 60 % peut espérer un taux d’extraction supérieur à 60 %

(80% pour les approches géométriques)(80% pour les approches géométriques)

Il faut que les processus de fabrication soient Il faut que les processus de fabrication soient compétitifs par rapport aux approches géométriques. compétitifs par rapport aux approches géométriques.

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