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Extraction de la lumière par cristaux photoniques, application aux LEDs PO-14 Photonic crystals Gabriel Christmann.

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1 Extraction de la lumière par cristaux photoniques, application aux LEDs PO-14 Photonic crystals Gabriel Christmann

2 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Plan Motivation Motivation Extraction par des méthodes géométriques Extraction par des méthodes géométriques Extraction par microcavités Extraction par microcavités Cristaux photoniques : inhibition des modes guidés Cristaux photoniques : inhibition des modes guidés Cristaux photoniques : extraction par diffraction Cristaux photoniques : extraction par diffraction Réalisations Réalisations

3 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Motivation LEDs bleues à base de nitrures déléments III avec un phosphore jaune pour obtenir du blanc Potentiel énorme pour le marché de léclairage Efficacité limitée par lextraction GaN QW Saphir 2~4 μm Substrat Phosphore substrat transparent Extraction par face : 4% Extraction par face après encapsulation dans de lepoxy : 10%

4 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Approches géométriques Modification de létat de surface Modification de la géométrie Hewlett-Packard, pyramide tronquée inversée AlGaInP/GaP 60% efficacité quantique externe M. R. Krames et al. APL 75, 2365 (1999) UCSB LED InGaN Surface rugueuse T. Fujii et al. APL 84, 855(2004) Osram : ThinGaN ® 75% dextraction (laser liftoff + traitement de surface) V. Haerle et al. phys. stat. Sol. (a) 201, 2736 (2004)

5 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann LED à microcavité Modification de la direction de lémission Proposé et réalisé dans GaAs/AlGaAs par: E. F. Schubert et al. APL (1992) Emission directionnelle Meilleure extraction Spectre démission plus pur La cavité doit avoir une épaisseur multiple de la demi longueur donde Lémetteur doit être placé au niveau dun ventre de champ DBR Cavité λ Miroir métallique Cavité λ/2 Il y a toujours des modes guidés Lépaisseur de cavité doit être faible pour maximiser lextraction

6 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann LED à microcavité Réalisations dans les nitrures déléments III EPFL (AlInN/GaN DBR) Modification de lémission J. Dorsaz et al. APL (2005) UCSB (miroir métallique) Faible épaisseur effective (2 λ) Extraction x3 P. Morgan Pattison et al. APL (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 dépaisseur effective Introduit de labsorption nécessite des étapes technologiques complexes (liftoff, wafer bonding…) La meilleure extraction est en théorie de 31% dans lair, 44% dans lépoxy, ce qui reste faible

7 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Cristaux photoniques : Inhibition des modes guidés Cristal photonique Inhibition des modes guidés La lumière ne peut être émise que vers le haut Zone active Dans GaInAsP Nécessite une très bonne efficacité radiative M. Fujita et al. Science (2005)

8 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Cristaux photoniques : Diffraction Condition de diffraction : : vecteurs du réseau réciproque du cristal photonique

9 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Cristaux photoniques : Diffraction

10 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Cristaux photoniques : Diffraction Article de revue, théorie : A. David et al. Journal of Display Technology d t d t Lémission se fait au sein du cristal photonique Lémission se fait dans une région 2D couplée au cristal photonique Cas plus réaliste en vue du dépôt de contacts sur une LED GaN Saphir GaN Saphir

11 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Cristaux photoniques : Diffraction Les modes diffractés (tels que : ), appelés mode de fuite ont un vecteur donde dans le plan imaginaire, du fait des pertes par diffraction Par conséquent k traduit lefficacité du phénomène de diffraction Le mode de fuite décroit exponentiellement au cours de sa propagation

12 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Diffraction : influence de la profondeur de gravure d t T+d=8a GaN Saphir n GaN =2.5 n Saphir =1.7 Réseau triangulaire, facteur de remplissage f = 0.3, mode TE 1 Lefficacité dextraction croît avec la profondeur de gravure avant de seffondrer Le mode guidé existe toujours car lindice effectif du GaN gravé reste toujours supérieur à celui du saphir

13 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Diffraction : influence de la profondeur de gravure d t T + d = 4a ~ 1μm GaN Saphir n GaN = 2.5 n Saphir = 1.7 Cas multimode du guide Réseau 1D, facteur de remplissage f = modes TE et 6 modes TM pour a/ λ=0.39 Pour améliorer lextraction il faut graver profondément, on est dans un cas semblable au cas monomode En pratique cest quasiment impossible de graver profondément. De toute façons la gravure de la région active augmente les recombinaisons non radiatives

14 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Diffraction : Couplage entre le cristal photonique et une région 2D d t GaN Saphir Le mode guidé dans la zone démission (2D) doit se coupler au cristal photonique Lefficacité de couplage diminue avec la profondeur de gravure, ce qui est logique puisquil y a de moins en moins de modes propagatifs dans le cristal photonique Mêmes paramètres que précédemment Solution ?

15 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Diffraction : Modification de la distribution des modes Insertion dune couche de bas indice, pour utiliser un cristal photonique gravé peu profond A. David et al. APL (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 dordre 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

16 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Diffraction : Importance du choix du type de réseau Pour obtenir une bonne extraction, il faut que celle-ci soit omnidirectionnelle Réseau triangulaire Problème : pas dextraction suivant ΓK Utilisation dun cristal photonique de plus grand ordre Extraction omnidirectionnelle La longueur dextraction augmente vu que le paramètre de maille augmente

17 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann θ Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisins Nombre de plus proches voisins pour être isotrope GaAs : GaN : GaAs : Réseau archimédien Quasi symétrie 12 GaN : ?Pavage de Penrose (10) ? M. Rattier et al. APL (2003) S. P. Gorkhali et al. APL (2005)

18 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisins Rapport entre lextraction dans lair et lextraction dans le substrat Air Epoxy

19 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Réalisations Lumileds (2004) J. J. Wierer et al. APL (2004) Meilleure extraction Modification de lémission UCSB (2006) A. David et al. APL (2006) Résultats préliminaires A. David et al. APL (2006) Réseau archimedien LED, Liftoff amincie

20 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Réalisations University of Kansas (2004) J. Shakya et al. APL (2004) Mesures damélioration de lextraction… Seoul National University (2005) Dong-Ho Kim et al. APL (2005)

21 PO 14 Photonic crystals Gabriel Christmann Conclusion Les cristaux photoniques vont-ils se retrouver sur le marché des LEDs ? On prévoit une efficacité dextraction de 90% sur les modes guidés, et donc avec lextraction directe, on peut espérer un taux dextraction supérieur à 60 % (80% pour les approches géométriques) Il faut que les processus de fabrication soient compétitifs par rapport aux approches géométriques.


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