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Utilisation de cristaux photoniques pour l'extraction de la lumière dans les LEDs à base de nitrure Cours : Cristaux Photoniques Examinateur : MER Romuald.

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1 Utilisation de cristaux photoniques pour l'extraction de la lumière dans les LEDs à base de nitrure Cours : Cristaux Photoniques Examinateur : MER Romuald Houdré Pierre Corfdir 1 24 juin 2009

2 Plan de lexposé Le nitrure de gallium Comment améliorer le rendement dune LED ? 2003 : Utilisation dun PC pour améliorer lextraction de lumière émise par des MQWs (In,Ga)N / GaN Réduction de la directionnalité de lémission Perspectives : la croissance de nanocolonnes par épitaxie

3 Le 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) 1 ère LED (In,Ga)N en 1994 = 450 nm ext = 2.7 % Emission possible dans tout le spectre visible

4 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 lextraction de la lumière Interface air / GaN : max = 23° - Extraction = 4 % Dépôt dEpoxy : augmente de quelques % Rugosité de surface Cristaux photoniques

5 Augmentation de la rugosité T. Fuji et al., Appl. Phys. Lett. 84, 855 (2004) Méthode simple : gravure photochimique… …mais augmentation de lextraction que dun facteur 2.3

6 Comment améliorer le rendement quantique ? Améliorer lextraction de la lumière grâce aux PCs Proposition en 1999 dune structure devant présenter un gap photonique pour les longueurs donde visibles. Barra et al., Phys. Stat. Sol. (a) 176, 747 (1999) Réseau triangulaire de colonnes, a = 221 nm, f = 0.37 Bande interdite centrée à 488 nm Première réalisation en 2003 T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)

7 Première réalisation T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003) MQW (In,Ga)N / GaN – = 475 nm Gravure par e-beam dun réseau triangle a = 180 nm, d = 100 nm Augmentation de lémission jusquà un facteur 20 par couplage à des modes de fuites

8 Observation de la structure de bande Observation par PL de la structure de bande dun cristal photonique GaN A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, (2005) MQW MQW + PC Directionalité Diffraction des faisceaux incidents

9 Omnidirectionnalité de lextraction But : extraire la lumière quelque soit langle dincidence sur le PC Augmentation du nombre de diffractions dans le cône de lumière A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, (2006) Utilisation dun réseau archimèdien M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)

10 Omnidirectionnalité de lextraction Renforcer les diffractions situées dans le cône de lumière M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003) Réseaux archimèdien permettent lextraction dangles plus grands Réseaux dordre trop élevés inutiles

11 Omnidirectionnalité de lextraction Réseau archimèdien pour extraction à 450 nm Augmentation du nombre de diffractions dans le cône de lumière A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, (2006) Superposition émission directe et diffraction PL résolue en angle donne accès à plusieurs ZB Diffraction la plus forte due aux 4 éme voisins

12 Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ? Jusquà maintenant : réalisation de lhétérostructure par épitaxie puis gravure du cristal photonique A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, (2005) Colonnes de différentes formes Non-uniformité du diamètre le long dune même colonne T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)

13 Croissance de nanocolonnes par MBE En menant une croissance en excès dazote, GaN se forme spontanément sous forme de nanocolonnes J. Ristic et al., J. Cryst. Growth. 310, 4035 (2008)

14 Croissance de nanocolonnes par MBE Colonnes 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, (2005) Contrôle du diamètre et de la densité en nanocolonnes grâce au rapport III / V

15 Réseaux organisés de nanocolonnes Utilisation dun masque de Ti Nucléation uniquement dans les trous du masque en utilisant un faible flux de N 2 Changement du facteur de remplissage en variant le flux de N 2. K. Kishino et al., J. of Cryst. Growth 311, 2063 (2009)

16 Conclusions LEDs (In,Ga)N pour lémission dans lUV, 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 ?


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