Plan Motivation Extraction par des méthodes géométriques Extraction par microcavités Cristaux photoniques : inhibition des modes guidés Cristaux photoniques : extraction par diffraction Réalisations

Motivation Phosphore substrat transparent 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 2~4 μm QW Extraction par face : 4% Extraction par face après encapsulation dans de l’epoxy : 10% Saphir Substrat

Approches géométriques Modification de l’état de surface Modification de la géométrie UCSB LED InGaN Surface rugueuse T. Fujii et al. APL 84, 855(2004) Hewlett-Packard, pyramide tronquée inversée AlGaInP/GaP 60% efficacité quantique externe M. R. Krames et al. APL 75, 2365 (1999) Osram : ThinGaN® 75% d’extraction (laser liftoff + traitement de surface) V. Haerle et al. phys. stat. Sol. (a) 201, 2736 (2004)

LED à microcavité Modification de la direction de l’émission Cavité λ/2 Miroir métallique Proposé et réalisé dans GaAs/AlGaAs par: E. F. Schubert et al. APL 60 921 (1992) Cavité λ Emission directionnelle Meilleure extraction Spectre d’émission plus pur DBR G La cavité doit avoir une épaisseur multiple de la demi longueur d’onde G L’émetteur doit être placé au niveau d’un ventre de champ Il y a toujours des modes guidés L’épaisseur de cavité doit être faible pour maximiser l’extraction

LED à microcavité Réalisations dans les nitrures d’éléments III 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…) EPFL (AlInN/GaN DBR) Modification de l’émission J. Dorsaz et al. APL 97 084505 (2005) UCSB (miroir métallique) La meilleure extraction est en théorie de 31% dans l’air, 44% dans l’époxy, ce qui reste faible Faible épaisseur effective (2λ) Extraction x3 P. Morgan Pattison et al. APL 90 031111 (2007)

Cristaux photoniques : Inhibition des modes guidés Zone active Cristal photonique Inhibition des modes guidés La lumière ne peut être émise que vers le haut Dans GaInAsP M. Fujita et al. Science 308 1296 (2005) G Nécessite une très bonne efficacité radiative

Cristaux photoniques : Diffraction : vecteurs du réseau réciproque du cristal photonique Condition de diffraction :

Cristaux photoniques : Diffraction

Cristaux photoniques : Diffraction Article de revue, théorie : A. David et al. Journal of Display Technology 3 133 d t d t GaN GaN Saphir Saphir L’émission se fait au sein du cristal photonique L’émission se fait dans une région 2D couplée au cristal photonique Cas plus réaliste en vue du dépôt de contacts sur une LED

Cristaux photoniques : Diffraction Les modes diffractés (tels que : ), appelés mode de fuite ont un vecteur d’onde dans le plan imaginaire, du fait des pertes par diffraction Par conséquent k’’ traduit l’efficacité du phénomène de diffraction Le mode de fuite décroit exponentiellement au cours de sa propagation

Diffraction : influence de la profondeur de gravure T+d=8a nGaN=2.5 t GaN nSaphir=1.7 Saphir 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 profondeur de gravure Cas multimode du guide d T + d = 4a ~ 1μm nGaN = 2.5 t GaN nSaphir = 1.7 Saphir Réseau 1D, facteur de remplissage f = 0.5 6 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 cristal photonique et une région 2D Solution ? d t GaN 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 photonique Mêmes paramètres que précédemment

Diffraction : Modification de la distribution des modes Insertion d’une couche de bas indice, pour utiliser un cristal photonique gravé peu profond A. 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 choix du type de réseau Pour obtenir une bonne extraction, il faut que celle-ci soit omnidirectionnelle Utilisation d’un cristal photonique de plus grand ordre Réseau triangulaire Extraction omnidirectionnelle La longueur d’extraction augmente vu que le paramètre de maille augmente Problème : pas d’extraction suivant ΓK

Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisins Nombre de plus proches voisins pour être isotrope GaAs : Réseau archimédien Quasi symétrie 12 θ M. Rattier et al. APL 83 1231 (2003) GaN : ? Pavage de Penrose (10) ? GaAs : GaN : S. P. Gorkhali et al. APL 86 011110 (2005)

Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisins Rapport entre l’extraction dans l’air et l’extraction dans le substrat Air Epoxy

Réalisations Lumileds (2004) UCSB (2006) J. J. Wierer et al. APL 84 3885 (2004) A. David et al. APL 88 073510 (2006) A. David et al. APL 88 133514 (2006) Réseau archimedien LED, Liftoff amincie Meilleure extraction Modification de l’émission Résultats préliminaires

Réalisations University of Kansas (2004) Seoul National University (2005) J. Shakya et al. APL 85 142 (2004) Dong-Ho Kim et al. APL 87 203508 (2005) Mesures d’amélioration de l’extraction…

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