High-efficiency GaN-based light-emitting diodes : light extraction by photonic crystals and microcavities.
Diodes GaN a haute efficacite : Extraction de la lumiere par cristaux photoniques et microcavites.
Résumé
Recent years have seen the advent of blue light-emitting diodes and efficient white-based gallium nitride (GaN). This technology is poised to replace conventional light bulbs in the near future, allowing considerable energy savings. However, this scenario requires that these diodes are fully optimized, since the quality of the material up how to extract the light. This thesis explores this latter aspect: the emitted light in a semiconductor is naturally trapped, and a strategy is needed for breaking the steering mechanism. Specifically, we examine methods for extracting deterministic light emitting diodes using GaN properties inverter! tory (interference, diffraction) to obtain efficient diode whose emission properties are controlled. The diodes microcavities are first considered: they use the interference of light in the diode to change the preferential directions of emission and maximize the direct extraction. However, the manufacture of these structures is complex and offers a theoretical efficiency imperfect. Subsequently, the extraction of guided light by photonic crystals (PC) is studied. A CP is a periodic optical structure formed in the diode, which alters the properties of light propagation. Here, the PC acts as a two-dimensional diffraction grating that redirects the guided light to the outside. This principle was first explored by photoluminescence experiments on simple structures, which reveal the structure of guided modes and properties suggest that CP should have. These properties can be grouped into two categories: planar structure (choice of lattice and the period of CP ...) and vertical structure (which mixes in more complex properties of the PC itself and those of the epitaxial layer) . Various implementations of diodes with photonic crystals are then proposed, fabricated and characterized. Various crystal lattices are compared, revealing the benefits of complex patterns such as the paving of Archimedes. Most of the optimization is however on the vertical structure to ensure efficient extraction by the CP. Several solutions were studied (engineering epitaxial layers to change the emission pattern of light, thin structures to increase its interaction with CP ...) All of these implementations is validated and guided by modeling the properties of CP . This model is a complex numerical problem (solution of Maxwell's equations in three dimensions). Several codes have been written and used during the case - including a novel method called "hybrid". This has helped to explain quantitatively the experimental results, and suggest ways of optimizing studied thereafter. Although far from being fully optimized, the diodes obtained at the end of this work show encouraging results and suggest that industrial application.
Ces dernières années ont vu l'avènement de diodes électro-luminescentes bleues et blanches efficaces à base de nitrure de gallium (GaN). Cette technologie est en position de remplacer les ampoules conventionnelles dans un proche futur, permettant ainsi de considérables économies d'énergie. Toutefois, ce scénario exige que ces diodes soient entièrement optimisées, depuis la qualité du matériau jusqu'à la façon d'en extraire la lumière. Cette thèse étudie ce dernier aspect : la lumière émise dans un semiconducteur y est naturellement piégée, et une stratégie est nécessaire pour briser ce mécanisme de guidage. Plus précisément, nous examinons des méthodes permettant l'extraction déterministe de la lumière des diodes GaN en utilisant ses propriétés ondu! latoire (interférences, diffraction) afin d'obtenir des diodes efficaces dont les propriétés d'émission sont contrôlées. Les diodes a microcavités sont tout d'abord envisagées : celles-ci utilisent les interférences de la lumière dans la diode pour modifier les directions préférentielles d'émission et maximiser l'extraction directe. Toutefois, la fabrication de ces structures est complexe et n'offre qu'une efficacité théorique imparfaite. Par la suite, l'extraction de la lumière guidée par cristaux photoniques (CP) est étudiée. Un CP est une structure optique périodique formée dans la diode, qui altère les propriétés de propagation de la lumière. Ici, le CP agit comme un réseau de diffraction bidimensionnel qui redirige la lumière guidée vers l'extérieur. Ce principe est tout d'abord exploré par des expériences de photoluminescence sur des structures simples, qui révèlent la structure des modes guidés et suggèrent les propriétés que le CP devrait posséder. Ces propriétés peuvent être regroupées en deux catégories : structure planaire (choix du réseau cristallin et de la période du CP...) et structure verticale (qui mêle de façon plus complexe les propriétés du CP lui-même et celles de la couche épitaxiée). Diverses implémentations de diodes à cristaux photoniques sont par la suite proposées, fabriquées et caractérisées. Divers réseaux cristallins sont comparés, révélant les avantages de motifs complexes tels que le pavage d'Archimède. La plus grande partie de l'optimisation porte cependant sur la structure verticale, afin s'assurer une extraction efficace par le CP. Plusieurs solutions sont étudiées (ingénierie des couches épitaxiales pour modifier le diagramme d'émission de la lumière, structures minces pour augmenter son interaction avec le CP...) L'ensemble de ces implémentations est validé et guidé par la modélisation des propriétés du CP. Cette modélisation est un problème numérique complexe (solution des équations de Maxwell en trois dimensions). Plusieurs codes ont été écrits et employés durant la thèse - dont une méthode originale dite " hybride ". Celle-ci a permis d'expliquer quantitativement les résultats expérimentaux, et de suggérer les voies d'optimisation étudiées par la suite. Bien que loin d'être entièrement optimisées, les diodes obtenues à l'issue de ce travail présentent des résultats encourageants et laissent espérer une application industrielle.