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Utilisation de cristaux photoniques pour l'extraction de la lumière dans les LEDs à base de nitrure
Cours : Cristaux PhotoniquesExaminateur : MER Romuald Houdré
Pierre Corfdir
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24 juin 2009
Plan de l’exposéPlan 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 GaNLe 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
S. Nakamura et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994)
1ère LED (In,Ga)N en 1994 = 450 nm ext = 2.7 %
Emission possible dans tout le spectre visible
Comment améliorer le rendement quantique ?Comment améliorer le rendement quantique ?
Augmenter le rendement quantique interne(réduire la densité de dislocations) : int = 80
% T. Nishida et al., Appl. Phys. Lett. 79, 711 (2001)
Améliorer l’extraction de la lumièreInterface air / GaN : max = 23° - Extraction = 4
%Dépôt d’Epoxy : augmente de quelques %Rugosité de surfaceCristaux photoniques
Augmentation de la rugositéAugmentation de la rugositéT. 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 améliorer le rendement quantique ?Comment améliorer le rendement quantique ?
Améliorer l’extraction de la lumière grâce aux PCsProposition 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 = 0.37Bande interdite centrée à 488 nm
Première réalisation en 2003 T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1231 (2003)
Première réalisation - 2003Première réalisation - 2003T. N. Oder et al., Appl. Phys. Lett. 83,
1231 (2003)
MQW (In,Ga)N / GaN – = 475 nm
Gravure par e-beam d’un réseau trianglea = 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 bandeObservation de la structure de bandeObservation par PL de la structure de bande d’un
cristal photonique GaN
A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005)
MQW
MQW + PC
DirectionalitéDiffraction des faisceaux incidents
Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionBut : extraire la lumière quelque soit l’angle
d’incidence sur le PCAugmentation du nombre de diffractions dans le cône
de lumière
A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)
Utilisation d’un réseau archimèdien
M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)
Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionRenforcer les diffractions situées dans le cône de
lumière
M. Rattier et al., Appl. Phys. Lett. 83, 1283 (2003)
Réseaux archimèdien permettent l’extraction d’angles plus grands
Réseaux d’ordre trop élevés inutiles
Omnidirectionnalité de l’extractionOmnidirectionnalité de l’extractionRéseau archimèdien pour extraction à 450 nmAugmentation du nombre de diffractions dans le cône
de lumière
A. David et al., Appl. Phys. Lett. 88, 073510 (2006)
Superposition émission directe et diffraction
PL résolue en angle donne accès à plusieurs ZB
Diffraction la plus forte due aux 4éme voisins
Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ?Existe-t-il une façon plus simple de réaliser des PCs ?
Jusqu’à maintenant :réalisation de l’hétérostructure par épitaxiepuis gravure du cristal photonique
A. David et al., Appl. Phys. Lett. 87, 101107 (2005)
Colonnes de différentes formes
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 MBECroissance de nanocolonnes par MBEEn 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 MBECroissance de nanocolonnes par MBEColonnes crues sur saphir, Si (111) ou Si
(100)
J. Ristic et al., J. Cryst. Growth. 310, 4035 (2008)
Matériau relaxé et sans dislocation (int favorable)
Possibilité de doper et de réaliser des hétérostructures
J. Ristic et al., Phys. Rev. Lett. 94, 146102 (2005)
Contrôle du diamètre et de la densité en nanocolonnes grâce au rapport III / V
Réseaux organisés de nanocolonnesRéseaux organisés de nanocolonnesUtilisation 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)
ConclusionsConclusionsLEDs (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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