Extraction de la lumire par cristaux photoniques application

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

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

Motivation • 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 Ga. N QW Saphir Gabriel Christmann Phosphore substrat transparent 2~4 μm Extraction par face : 4% Extraction par face après Substrat encapsulation dans de l’epoxy : 10% PO 14 Photonic crystals

Approches géométriques Modification de l’état de surface UCSB LED In. Ga. N Surface rugueuse T. Fujii et al. APL 84, 855(2004) Modification de la géométrie Hewlett-Packard, pyramide tronquée inversée Al. Ga. In. P/Ga. P 60% efficacité quantique externe M. R. Krames et al. APL 75, 2365 (1999) Osram : Thin. Ga. N® 75% d’extraction (laser liftoff + traitement de surface) V. Haerle et al. phys. stat. Sol. (a) 201, 2736 (2004) Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

LED à microcavité Modification de la direction de l’émission Cavité λ/2 Miroir métallique Proposé et réalisé dans Ga. As/Al. Ga. As par: E. F. Schubert et al. APL 60 921 (1992) • Emission directionnelle • Meilleure extraction • Spectre d’émission plus pur Cavité λ 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 Gabriel Christmann L Il y a toujours des modes guidés L’épaisseur de cavité doit être faible pour maximiser l’extraction PO 14 Photonic crystals

LED à microcavité Réalisations dans les nitrures d’éléments III EPFL (Al. In. N/Ga. N DBR) Pour un DBR J Possibilité de croissance par épitaxie J Hautes réflectivités (>99%) possibles L Croissance difficiles dans les nitrures L Rajoute une épaisseur effective Pour un miroir métallique Modification de l’émission J. Dorsaz et al. APL 97 084505 (2005) UCSB (miroir métallique) Faible épaisseur effective (2λ) Extraction x 3 J Ne rajoute pas d’épaisseur effective L Introduit de l’absorption L nécessite des étapes technologiques complexes (liftoff, wafer bonding…) La meilleure extraction est en théorie de 31% dans l’air, 44% dans l’époxy, ce qui reste faible P. Morgan Pattison et al. APL 90 031111 (2007) Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

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 Ga. In. As. P M. Fujita et al. Science 308 1296 (2005) G Nécessite une très bonne efficacité radiative Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

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

Cristaux photoniques : Diffraction Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

Cristaux photoniques : Diffraction Article de revue, théorie : A. David et al. Journal of Display Technology 3 133 d t Ga. N Saphir L’émission se fait au sein du cristal photonique Gabriel Christmann Ga. N Saphir d t L’émission se fait dans une région 2 D couplée au cristal photonique Cas plus réaliste en vue du dépôt de contacts sur une LED PO 14 Photonic crystals

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 Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

Diffraction : influence de la profondeur de gravure d Ga. N Saphir t T+d=8 a n. Ga. N=2. 5 n. Saphir=1. 7 Réseau triangulaire, facteur de remplissage f = 0. 3, mode TE 1 • L’efficacité d’extraction croît avec la profondeur de gravure avant de s’effondrer • Le mode guidé existe toujours car l’indice effectif du Ga. N gravé reste toujours supérieur à celui du saphir Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

Diffraction : influence de la profondeur de gravure Cas multimode du guide d Ga. N Saphir t T + d = 4 a ~ 1μm n. Ga. N = 2. 5 n. Saphir = 1. 7 Réseau 1 D, 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 Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

Diffraction : Couplage entre le cristal photonique et une région 2 D Solution ? Ga. N Saphir d t Le mode guidé dans la zone d’émission (2 D) 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 Gabriel Christmann Mêmes paramètres que précédemment PO 14 Photonic crystals

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 Ga. N par des étapes technologiques Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

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 Problème : pas d’extraction suivant ΓK Gabriel Christmann J Extraction omnidirectionnelle L La longueur d’extraction augmente vu que le paramètre de maille augmente PO 14 Photonic crystals

Choix du type de réseau : nombre de plus proche voisins Nombre de plus proches voisins pour être isotrope Ga. As : Réseau archimédien Quasi symétrie 12 θ M. Rattier et al. APL 83 1231 (2003) Ga. N : ? Pavage de Penrose (10) ? Ga. As : Ga. N : Gabriel Christmann S. P. Gorkhali et al. APL 86 011110 (2005) PO 14 Photonic crystals

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 Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

Réalisations Lumileds (2004) J. J. Wierer et al. APL 84 3885 (2004) UCSB (2006) 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 Gabriel Christmann • Résultats préliminaires PO 14 Photonic crystals

Réalisations University of Kansas (2004) J. Shakya et al. APL 85 142 (2004) Seoul National University (2005) Dong-Ho Kim et al. APL 87 203508 (2005) • Mesures d’amélioration de l’extraction… Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals

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. Gabriel Christmann PO 14 Photonic crystals