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

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

2. Plan 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

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 • 1ère LED (In,Ga)N en 1994 • l = 450 nm • hext = 2.7 % • Emission possible dans tout le spectre visible S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994)

4. Comment améliorer le rendement quantique ? • Augmenter le rendement quantique interne • (réduire la densité de dislocations) : hint = 80 % • T. Nishida et al., Appl. Phys. Lett. 79, 711 (2001) • Améliorer l’extraction de la lumière • Interface air / GaN : qmax = 23° - Extraction = 4 % • Dépôt d’Epoxy : h 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 l’extraction que d’un facteur 2.3

6. Comment améliorer le rendement quantique ? • Améliorer l’extraction de la lumière grâce aux PCs • Proposition 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 = 0.37 • Bande interdite centrée à 488 nm • Première réalisation en 2003 • T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)

7. Première réalisation - 2003 • T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003) • MQW (In,Ga)N / GaN –l = 475 nm • Gravure par e-beam d’un réseau triangle • a = 180 nm, d = 100 nm • Augmentation de l’émission jusqu’à 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 d’un cristal photonique GaN MQW + PC MQW Directionalité Diffraction des faisceaux incidents • A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005)

9. Omnidirectionnalité de l’extraction But : extraire la lumière quelque soit l’angle d’incidence sur le PC Augmentation du nombre de diffractions dans le cône de lumière Utilisation d’un réseau archimèdien • M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003) • A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)

10. Omnidirectionnalité de l’extraction Renforcer les diffractions situées dans le cône de lumière Réseaux archimèdien permettent l’extraction d’angles plus grands Réseaux d’ordre trop élevés inutiles • M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)

11. Omnidirectionnalité de l’extraction Réseau archimèdien pour extraction à 450 nm Augmentation du nombre de diffractions dans le cône de lumière Superposition émission directe et diffraction PL résolue en angle donne accès à plusieurs ZB Diffraction la plus forte due aux 4éme voisins • A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)

12. Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ? Jusqu’à maintenant : réalisation de l’hétérostructure par épitaxie puis gravure du cristal photonique Colonnes de différentes formes • A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005) Non-uniformité du diamètre le long d’une 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 d’azote, 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) Matériau relaxé et sans dislocation (hint favorable) J. Ristic et al., J. Cryst. Growth. 310, 4035 (2008) Contrôle du diamètre et de la densité en nanocolonnes grâce au rapport III / V Possibilité de doper et de réaliser des hétérostructures J. Ristic et al., Phys. Rev. Lett. 94, 146102 (2005)

15. Réseaux organisés de nanocolonnes Utilisation 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)

16. Conclusions • LEDs (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 ?