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

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Utilisation de cristaux photoniques pour lextraction de la lumi re dans les LEDs base de nitrure - PowerPoint PPT Presentation


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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. Plan de l’exposé. Le nitrure de gallium Comment améliorer le rendement d’une LED ?

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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

plan de l expos
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
le nitrure de gallium gan
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)

comment am liorer le rendement quantique
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
augmentation de la rugosit
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
comment am liorer le rendement quantique1
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)
premi re r alisation 2003
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
observation de la structure de bande
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)
omnidirectionnalit de l extraction
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)
omnidirectionnalit de l extraction1
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)
omnidirectionnalit de l extraction2
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)
existe t il une fa on plus simple de r aliser des pcs
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)

croissance de nanocolonnes par mbe
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)

croissance de nanocolonnes par mbe1
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)

r seaux organis s de nanocolonnes
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)

conclusions
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 ?
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