Utilisation de cristaux photoniques pour l'extraction de la lumière dans les LEDs à base de nitrure

Cours : Cristaux PhotoniquesExaminateur : MER Romuald Houdré

Pierre Corfdir

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24 juin 2009

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Le nitrure de gallium

Comment améliorer le rendement d’une LED ?

2003 : Utilisation d’un PC pour améliorer l’extraction de lumière émise par des MQWs (In,Ga)N / GaN

Réduction de la directionnalité de l’émission

Perspectives : la croissance de nanocolonnes par épitaxie

Le nitrure de gallium GaNLe nitrure de gallium GaN

GaN : semiconducteur à grand gap (3.4 eV à 300 K)

Possibilité de réaliser des alliages ternaires :(Al,Ga)N : 3.4 eV < Eg < 6.2 eV(In,Ga)N : 0.7 eV < Eg < 3.4 eV

S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994)

1ère LED (In,Ga)N en 1994 = 450 nm ext = 2.7 %

Emission possible dans tout le spectre visible

Comment améliorer le rendement quantique ?Comment améliorer le rendement quantique ?

Augmenter le rendement quantique interne(réduire la densité de dislocations) : int = 80

% T. Nishida et al., Appl. Phys. Lett. 79, 711 (2001)

Améliorer l’extraction de la lumièreInterface air / GaN : max = 23° - Extraction = 4

%Dépôt d’Epoxy : augmente de quelques %Rugosité de surfaceCristaux photoniques

Augmentation de la rugositéAugmentation de la rugositéT. Fuji et al., Appl. Phys. Lett. 84, 855

(2004)

Méthode simple : gravure photochimique……mais augmentation de l’extraction que d’un

facteur 2.3

Comment améliorer le rendement quantique ?Comment améliorer le rendement quantique ?

Améliorer l’extraction de la lumière grâce aux PCsProposition en 1999 d’une structure devant présenter

un gap photonique pour les longueurs d’onde visibles.

Barra et al., Phys. Stat. Sol. (a) 176, 747 (1999)

Réseau triangulaire de colonnes, a = 221 nm, f = 0.37Bande interdite centrée à 488 nm

Première réalisation en 2003 T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)

Première réalisation - 2003Première réalisation - 2003T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83,

1231 (2003)

MQW (In,Ga)N / GaN – = 475 nm

Gravure par e-beam d’un réseau trianglea = 180 nm, d = 100 nm

Augmentation de l’émission jusqu’à un facteur 20 par couplage à des modes de fuites

Observation de la structure de bandeObservation de la structure de bandeObservation par PL de la structure de bande d’un

cristal photonique GaN

A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005)

MQW

MQW + PC

DirectionalitéDiffraction des faisceaux incidents

Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionBut : extraire la lumière quelque soit l’angle

d’incidence sur le PCAugmentation du nombre de diffractions dans le cône

de lumière

A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)

Utilisation d’un réseau archimèdien

M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)

Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionRenforcer les diffractions situées dans le cône de

lumière

M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)

Réseaux archimèdien permettent l’extraction d’angles plus grands

Réseaux d’ordre trop élevés inutiles

Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionRéseau archimèdien pour extraction à 450 nmAugmentation du nombre de diffractions dans le cône

de lumière

A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)

Superposition émission directe et diffraction

PL résolue en angle donne accès à plusieurs ZB

Diffraction la plus forte due aux 4éme voisins

Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ?Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ?

Jusqu’à maintenant :réalisation de l’hétérostructure par épitaxiepuis gravure du cristal photonique

A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005)

Colonnes de différentes formes

Non-uniformité du diamètre le long d’une même colonne

T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)

Croissance de nanocolonnes par MBECroissance de nanocolonnes par MBEEn menant une croissance en excès d’azote, GaN se

forme spontanément sous forme de nanocolonnes

J. Ristic et al., J. Cryst. Growth. 310, 4035 (2008)

Croissance de nanocolonnes par MBECroissance de nanocolonnes par MBEColonnes crues sur saphir, Si (111) ou Si

(100)

J. Ristic et al., J. Cryst. Growth. 310, 4035 (2008)

Matériau relaxé et sans dislocation (int favorable)

Possibilité de doper et de réaliser des hétérostructures

J. Ristic et al., Phys. Rev. Lett. 94, 146102 (2005)

Contrôle du diamètre et de la densité en nanocolonnes grâce au rapport III / V

Réseaux organisés de nanocolonnesRéseaux organisés de nanocolonnesUtilisation d’un masque de Ti Nucléation uniquement dans les trous du masque en

utilisant un faible flux de N2

Changement du facteur de remplissage en variant le flux de N2.

K. Kishino et al., J. of Cryst. Growth 311, 2063 (2009)

ConclusionsConclusionsLEDs (In,Ga)N pour l’émission dans l’UV, le bleu et

le vert

Augmentation du rendement quantique interne par réduction du nombre de dislocations

Extraction de la lumière par des cristaux photoniques

Les réseaux archimédiens semblent adéquats pour une extraction omni-directionnelle

Croissance de réseaux organisés de nanocolonnes par épitaxie

Mais comment les contacter de façon efficace ?