Diodes ¶electroluminescentes planaires µa haut rendement d
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Diodes ¶electroluminescentes planaires µa haut rendement d'extraction lumineuse Thµese pr¶esent¶ee au d¶epartement de Physique ¶ Ecole Polytechnique F¶ ed¶ erale de Lausanne Pour l'obtention du grade de Docteur µes Sciences par : Daniel Ochoa ¶ Ing¶enieur de l'Ecole Polytechnique, Palaiseau, France Ing¶enieur du Corps des Mines, Paris, France Lausanne, EPFL 2000 2 µ mes parents, Paul et Alb¶erica A 3 4 Table des matiµ eres R¶ esum¶ e 8 Abstract 11 1 Introduction 1.1 Petit historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Caract¶eristiques principales d'une LED . . . . . . . . . . 1.2.1 Performances, unit¶es utilis¶ees . . . . . . . . . . . 1.2.2 Rendement quantique interne . . . . . . . . . . . 1.3 Consid¶erations technologiques . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Techniques de croissance . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Mat¶eriaux pour LEDs ¶emettant dans le visible . 1.3.3 Mat¶eriaux pour LEDs ¶emettant dans l'infrarouge 1.3.4 Fiabilit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Applications des LEDs µa haut rendement . . . . . . . . 1.4.1 LEDs ¶emettant dans le visible . . . . . . . . . . . 1.4.2 LEDs infrarouges . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 March¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Le problµeme de l'extraction de la lumiµere . . . . . . . . 1.5.1 Extraction de la lumiµere par une face . . . . . . 1.5.2 Extraction totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3 Brillance et LEDs planaires . . . . . . . . . . . . 1.6 R¶esum¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 18 19 20 23 23 26 29 30 31 32 42 42 43 44 46 51 53 2 LEDs µ a haute brillance : techniques alternatives 2.1 Guide d'onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Recyclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Texturation de la surface . . . . . . . . . . . . . . 2.4 LEDs µa °ancs inclin¶es . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 LED µa ¶emission par la surface . . . . . . . . 2.4.2 LED sans substrat µa °ancs inclin¶es . . . . . 2.5 Cristaux photoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Mise en ¶evidence de l'extraction d'un CP . 2.5.2 Poireaux de Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 55 56 56 58 58 59 60 61 62 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 LEDs µ a microcavit¶ e 65 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2 Notions th¶eoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.1 LED µa miroir unique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5 3.2.2 Fabry-P¶erot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Fabry-P¶erot avec source interne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Extraction de la lumiµere dans le milieu ext¶erieur . . . . . . . . 3.2.5 E®et du d¶esaccord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 Calcul du rendement d'extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7 Source polychromatique (largeur ¯nie de raie d'¶emission) . . . 3.2.8 Calcul du rendement d'extraction dans le cas polychromatique 3.2.9 Miroirs r¶ealistes : position spectrale du mode de cavit¶e . . . . . 3.2.10 Miroirs r¶ealistes : ¯nesse du mode . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.11 Miroirs r¶ealistes : extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.12 Miroirs r¶ealistes : calcul exact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.13 Conclusion, r¶esum¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Optimisation d'une MCLED ¶emettant µa 880nm . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Structure simpli¯¶ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Choix de l'ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Propri¶et¶es de l'¶emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Optimisation de la structure de la MCLED . . . . . . . . . . . 3.4 Fabrication et mesures de la MCLED, comparaisons avec la th¶eorie . . 3.4.1 Technique de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Mesure I-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 R¶e°ectivit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Spectre d'¶emission de la source . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5 Diagramme angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.6 Rendement quantique d'extraction par la surface . . . . . . . . 3.4.7 Rendement quantique d'extraction total . . . . . . . . . . . . . 3.4.8 Interpr¶etation des mesures de rendement . . . . . . . . . . . . 3.4.9 Mesures spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.10 Conclusion de la partie exp¶erimentale . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Conclusion du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Extraction lat¶ erale de la lumiµ ere 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Cas d'une LED IR commerciale . . . . . . . . . . . 4.3 Longueur de disparition des modes guid¶es . . . . . 4.3.1 Champ ¶electrique . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Puissance ¶emise µa la source . . . . . . . . . 4.3.3 Longueur de disparition et puissance totale 4.3.4 Recouvrement des modes . . . . . . . . . . 4.4 M¶ecanismes de pertes . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Transmission des modes . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Calcul de la transmission . . . . . . . . . . 4.5.2 Cas du guide ¶epais . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Approximation hors-axe . . . . . . . . . . . 4.6 Calcul de l'extraction lat¶erale . . . . . . . . . . . . 4.6.1 LED carr¶ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 LED triangulaire . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3 LED circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.4 Forme optimale . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Modµele Monte-Carlo, LED chaotique . . . . . . . . 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 72 75 78 80 82 88 88 91 92 97 98 100 100 101 102 104 109 109 114 115 119 120 125 130 133 140 146 147 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 . 149 . 150 . 154 . 154 . 155 . 156 . 158 . 158 . 161 . 161 . 163 . 165 . 167 . 168 . 171 . 172 . 173 . 174 4.7.1 Section de Poincar¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Extraction lat¶erale de LEDs chaotiques . . . . . . . 4.8 Extraction totale et recyclage : comparaison exp¶erimentale . 4.8.1 Elargissement spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Recyclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Fraction de dip^oles verticaux . . . . . . . . . . . . . 4.9 Application µa la MCLED, comparaison exp¶erimentale . . . 4.10 R¶esum¶e, Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 LEDs antir¶ esonantes µ a °ancs inclin¶ es 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Mod¶elisation optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Antir¶esonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Miroir arriµere Bragg/ap¶eriodique GaAs/AlOx 5.2.3 Couplage de guides d'ondes . . . . . . . . . . 5.2.4 Flancs inclin¶es . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Mod¶elisation ¯nale, rendement d'extraction . 5.2.6 LED chaotique µa haute brillance . . . . . . . 5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Conception ¶electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Spectre d'¶emission, oxydation, I-V . . . . . . 5.5.2 Anti-R¶esonance . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Flanc Inclin¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.4 Rendement quantique d'extraction . . . . . . 5.5.5 Rendement quantique interne . . . . . . . . . 5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 . 193 . 195 . 196 . 198 . 203 . 209 . 220 . 225 . 226 . 227 . 230 . 235 . 236 . 238 . 238 . 242 . 244 . 247 6 Conclusion 175 179 181 181 183 185 187 190 249 A Physique de la LED, principes fondamentaux A.1 Semiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1.1 Diagramme de bandes, semiconducteur intrinsµeque . . . . A.1.2 Semiconducteur dop¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 G¶en¶eration de lumiµere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.1 Hamiltonien d'interaction, calcul de l'¶el¶ement de matrice . A.2.2 Temps de recombinaison d'une paire ¶electron-trou . . . . A.2.3 Spectre d'¶emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.4 Taux d'¶emission spontan¶ee . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.5 Recombinaisons non-radiatives . . . . . . . . . . . . . . . A.3 Diode ¶electroluminescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3.1 Jonction p ¡ n, diode parfaite . . . . . . . . . . . . . . . . A.3.2 Diode imparfaite et facteur d'id¶ealit¶e . . . . . . . . . . . . A.4 H¶et¶erostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.4.1 H¶et¶erojonctions simples et doubles . . . . . . . . . . . . . A.4.2 Puits quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 251 251 255 256 256 259 260 263 264 265 265 269 271 271 273 B Miroir de Bragg (DBR) 277 B.1 R¶e°ectivit¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 B.2 Variations de la phase avec la longueur d'onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 B.3 Variations de la phase avec l'angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 C Modµ ele d'¶ emission spontan¶ ee C.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2 Mod¶elisation de la source . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2.1 Puissance ¶emise par les puits quantiques . . . . . . C.2.2 Puissance ¶emise par un plan de dip^oles . . . . . . . C.2.3 Modµele d'ondes planes, termes sources . . . . . . . C.2.4 E®et Purcell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.2.5 Rendement quantique interne . . . . . . . . . . . . C.3 Mod¶elisation de l'h¶et¶erostructure . . . . . . . . . . . . . . C.3.1 Calcul du champ ¶electrique . . . . . . . . . . . . . C.3.2 Puissance extraite . . . . . . . . . . . . . . . . . . C.3.3 Rendement quantique d'extraction par la surface . C.3.4 Rendement quantique d'extraction par le substrat C.3.5 Elargissement spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 . 283 . 284 . 284 . 286 . 287 . 288 . 289 . 290 . 290 . 292 . 293 . 294 . 295 D Proc¶ ed¶ e de fabrication de la WARTLED 297 D.1 Oxydation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 D.2 Flanc inclin¶e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 D.3 Etapes de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 E On chip simultaneous determination of source and cavity parameters of a Microcavity Light Emitting Diode 309 F Spontaneous emission model of lateral light extraction from heterostructures Light Emitting Diodes 315 G Di®raction of cylindrical Bragg re°ectors surrounding an in-plane semiconductor microcavity 321 G.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 G.2 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 G.3 Description of the structure, experiment and discussion . . . . . . . . . . . . . 325 G.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Bibliographie 331 Curriculum vitae 343 Publications, Conf¶ erences 346 Remerciements 348 8 R¶ esum¶ e La diode ¶electroluminescente (en anglais LED pour \Light Emitting Diode") est un composant industriel de premiµere importance qui o®re de nombreux avantages par rapport aux sources de lumiµere conventionnelles (dur¶ee de vie, consommation, temps de r¶eponse). Sa faible consommation ¶electrique est directement reli¶ee µa la valeur de son rendement quantique d'extraction, ¶egal au nombre de photons ¶emis divis¶e par le nombre d'¶electrons inject¶es. Les ¶economies d'¶energie qu'une LED permet de r¶ealiser sont un atout majeur pour certaines applications, comme les lampes d'¶eclairage, les feux arriµeres de v¶ehicules automobiles, ou les feux de signalisation routiers. Pour d'autres applications, essentiellement dans les t¶elecommunications, la lumiµere doit ^etre coupl¶ee dans une ¯bre optique. La brillance du composant, li¶ee µa sa taille et µa la directionnalit¶e de son ¶emission, est alors le critµere d'int¶er^et principal. De maniµere g¶en¶erale, une bonne brillance est associ¶ee µa une g¶eom¶etrie planaire et µa une extraction par la surface. Or, la grande di®¶erence d'indice de r¶efraction entre le semiconducteur composant la LED (nin = 3:6 pour le GaAs) et le milieu ext¶erieur limite l'extraction par face d'une LED usuelle µa seulement 2% dans l'air. Cette thµese ¶etudie cette limitation et propose deux concepts di®¶erents de LEDs planaires µa haut rendement quantique d'extraction. Le premier concept ¶etudi¶e est celui de LED µa microcavit¶e (MCLED pour l'anglais \MicroCavity Light Emitting Diode"). Dans une MCLED, la source est plac¶ee dans une cavit¶e planaire Fabry-P¶erot dont la taille est proche de la longueur d'onde de la lumiµere. Le con¯nement optique modi¯e le diagramme d'¶emission angulaire interne, une fraction de la lumiµere ¶emise ¶etant r¶esonante dans une direction quasi-normale µa la surface. Cette fraction de lumiµere est bien extraite car elle est en majorit¶e contenue dans le c^one d'extraction, limit¶e par l'angle critique de r¶e°exion totale interne entre le semiconducteur et le milieu ext¶erieur. Le d¶esaccord ± entre la longueur d'onde d'¶emission et la longueur d'onde Fabry-P¶erot est un paramµetre fondamental pour l'extraction, car il d¶etermine la direction de r¶esonance du mode de cavit¶e et son insertion dans le c^o ne d'extraction. Le travail de cette thµese a port¶e sur l'optimisation et la r¶ealisation d'une MCLED en GaAs/AlxGa1¡x As ¶emettant µa 880nm et par la surface. Cette MCLED est form¶ee d'une cavit¶e ¸ plac¶ee entre deux miroirs de Bragg Al0:1Ga 0:9 As/Al0:8 Ga0:2As, le miroir arriµere comportant 20 paires et le miroir avant 4 paires. Avec un d¶esaccord valant ± = ¡20nm, la structure est optimale pour une extraction dans l'air. Le rendement quantique d'extraction mesur¶e vaut 14% dans l'air et 20.6% avec une encapsulation dans une lentille en ¶epoxy. Ces valeurs sont les plus importantes mesur¶ees µa ce jour pour une MCLED ¶emettant par la surface. Des mesures compl¶ementaires sont e®ectu¶ees : r¶e°ectivit¶e, diagramme angulaire, analyse spectrale angulaire. Elles sont en trµes bon accord avec la th¶eorie et apportent une meilleure compr¶ehension physique du composant. Le modµele d'¶emission spontan¶ee utilis¶e pour l'optimisation et l'analyse de la MCLED a une g¶eom¶etrie verticale unidimensionnelle, invariante par translation dans le plan de la source. Il ne tient pas compte directement de l'att¶enuation de puissance de la lumiµere guid¶ee lors de sa propagation, due µa l'absorption dans la zone active et aux fuites dans le substrat 9 par couplage ¶evanescent. Cette limitation est tol¶erable pour la simulation d'une MCLED, oµu l'absorption dans le ¯n guide d'onde est telle que l'extraction lat¶erale du mode guid¶e est trµes faible. En revanche, ceci n'est pas le cas pour une LED µa h¶et¶erostructure commerciale, ou pour la WARTLED (voir ci-dessous). Les modes guid¶es jouent alors un r^ole majeur dans l'extraction lumineuse, et leur att¶enuation doit ^etre ¶evalu¶ee avec soin. Nous proposons donc un modµele d'extraction lat¶erale qui prend en compte : l'absorption des modes guid¶es et leur fuite dans le substrat via la notion de \longueur de disparition" (distance typique d'att¶enuation en puissance), la g¶eom¶etrie lat¶erale de la LED µa l'aide d'une approche de rayons optiques, et la transmission des modes guid¶es µa travers un °anc vertical. Ce modµele d'extraction lat¶erale est en bon accord avec les mesures e®ectu¶ees µa la fois sur la MCLED et sur une LED infrarouge commerciale µa haute puissance. La derniµere partie de cette thµese ¶etudie le concept de LED antir¶esonante µa °ancs inclin¶es ou WARTLED (pour l'anglais \Waveguide Anti-Resonant Tapered Light Emitting Diode"). Une WARTLED est un composant quasi-planaire dont la nouveaut¶e r¶eside dans la combinaison des ¶el¶ements suivants : (i) antir¶esonance, (ii) guide d'onde ¶epais, (iii) miroir AlOx \Bragg/ap¶eriodique", (iv) g¶eom¶etrie circulaire inject¶ee au centre, (v) couplage de guides d'ondes avec guide de propagation sans pertes, (vi) °ancs µa faible inclinaison. (i) L'anti-r¶esonance est obtenue en pla»cant les puits quantiques µa proximit¶e d'un miroir en or, favorisant ainsi la formation de modes guid¶es. (ii) Le guide d'onde est ¶epais (5¹m) a¯n de r¶eduire au maximum les pertes par absorption optique. (iii) Il est con¯n¶e entre le miroir en or et un miroir GaAs/AlOx dit \Bragg/ap¶eriodique" : quelques paires ap¶eriodiques sont superpos¶ees µa plusieurs paires de Bragg pour r¶eduire les fuites dans le substrat par couplage ¶evanescent. (iv) La WARTLED a une g¶eom¶etrie circulaire inject¶ee au centre qui permet d'¶eviter la formation de modes de gallerie. (v) La zone d'injection centrale absorbante, contenant les puits quantiques et le miroir en or, est s¶epar¶ee lat¶eralement du reste de la structure µa l'aide d'une gravure, cr¶eant ainsi un couplage entre le guide d'injection absorbant et un guide de propagation \sans pertes". (vi) La transmission des modes guid¶es arrivant sur le °anc inclin¶e est calcul¶ee µa l'aide d'un modµele optique de rayons lumineux, l'approximation de l'optique g¶eom¶etrique ¶etant justi¯¶ee par l'¶epaisseur importante du guide d'onde. L'extraction est maximale lorsque le °anc a une inclinaison situ¶ee entre 4 ± et 10± et lorsque le miroir arriµere GaAs/AlOx est trµes r¶e°¶echissant. En prenant en compte la g¶eom¶etrie complµete du composant, le rendement d'extraction (par la surface) d'une WARTLED d¶epasse th¶eoriquement 80%. La premiµere fabrication de WARTLEDs a rencontr¶e des problµemes de couche ¶epitaxiale et le rendement quantique d'extraction obtenu n'est pas trµes ¶elev¶e. En revanche, l'ensemble des mesures est en bon accord avec la mod¶elisation optique, et permet de comprendre en d¶etail la source des problµemes rencontr¶es. L'analyse des mesures pr¶evoit en particulier un rendement quantique interne qui varie entre 1% et 20% et qui d¶epend fortement du diamµetre des m¶esas d'injection. Cette d¶ependance provient de recombinaisons non-radiatives sur les bords du m¶esa, qui devraient ^etre ¶evit¶ees sans trop de di±cult¶es, µa l'aide d'une couche de con¯nement ¶electronique suppl¶ementaire. La cr¶edibilit¶e du concept de WARTLED n'est donc pas remise en cause par ces premiµeres mesures, bien au contraire. Dµes la prochaine fabrication, on espµere ainsi r¶ealiser une WARTLED ayant un trµes bon rendement quantique d'extraction. 10 Abstract The Light Emitting Diode (LED) is an important industrial device that has many advantages compared to conventional light sources (lifetime, consumption, response time). Its low electrical consumption is directly related to the value of its external quantum e±ciency, equal to the number of photons emitted per unit of time divided by the number of injected electrons. Energy savings allowed by LEDs are an essential advantage for certain applications, like lamps, car rear lights, or road tra±c lights. For other applications, primarily in the telecommunications, the light must be coupled into an optical ¯ber. The brightness of the device, related to its size and to the directionality of its emission, is then the main e±ciency criterion. In general, a good brightness is associated with a planar geometry and a surface extraction. However, the large di®erence in refractive index between the semiconductor of the LED (nin=3.6 for the GaAs) and the external medium, limits the light extraction from one face of a usual LED to only 2% in air. This thesis studies this problem and proposes two di®erent planar LED concepts achieving high external e±ciency. The ¯rst concept is the MicroCavity Light Emitting Diode (MCLED). In a MCLED, the source is placed in a planar Fabry-P¶erot cavity which size is close to the wavelength of the light. Optical con¯nement modi¯es the internal angular diagram of the emission, a fraction of which becomes resonant in a direction quasi-normal to the surface. This fraction of light is well extracted, because it is mainly contained in the extraction cone, limited by the critical angle of total internal re°exion between the semiconductor and the external medium. The detuning ± between the emission wavelength and the Fabry-P¶erot wavelength is a fundamental parameter concerning the extraction, because it determines the direction of resonance of the cavity mode and its insertion into the extraction cone. This thesis was concerned by the optimization and the realization of a GaAs/AlxGa1¡xAs 880nm surface emitting MCLED. This MCLED is made of a ¸ cavity placed between two Al0:1Ga 0:9 As/Al0:8 Ga0:2 As Bragg mirrors, the back mirror having 20 pairs and the front mirror 4 pairs. With a detuning ± = ¡20nm, the structure is optimal for an extraction into air. The measured external quantum e±ciency is 14% into air and 20.6% with an encapsulation into an epoxy lens. These values are the most signi¯cant measured up to date for a surface emitting MCLED. Complementary measures are taken : re°ectivity, angular diagram, angularly resolved spectrum. They are in very good agreement with the theory and give a better physical understanding of the device. The spontaneous emission model used for the optimization and the analysis of the MCLED has a vertical unidimensional geometry which is invariant by translation in the plane of the source. It does not take into account directly the power attenuation of the guided light during its propagation, due to the absorption in the active zone and to the leaking into the substrate by evanescent coupling. This limitation is tolerable for the simulation of a MCLED, where absorption in the thin wave guide is such that the side extraction of the guided mode is very weak. On the other hand, this is not the case for a commercial heterostructure LED, or for the WARTLED (see below). For these devices, the guided modes play a major role in the 11 luminous extraction, and their attenuation must be carefully evaluated. We thus propose a side extraction model which takes into account : the absorption of the guided modes and their leaking into the substrate through the notion of \decay length" (the typical distance of power attenuation), the lateral geometry of the LED using a ray tracing approach, and the transmission of the guided modes through a vertical side. This lateral extraction model is in good agreement with the measurements performed on the MCLED and on a commercial infra-red high-power LED. The last part of this thesis studies the concept of Waveguide Anti-Resonant Tapered Light Emitting Diode (WARTLED). A WARTLED is a quasi-planar device whose innovation lies in the combination of the following elements : (i) antiresonance, (ii) thick waveguide, (iii) AlOx \Bragg/aperiodic" mirror, (iv) circular geometry injected in the center, (v) waveguide coupling with a lossless propagation guide, (vi) tapered sides. (i) Antiresonance is obtained by placing the quantum wells close to a gold mirror. (ii) The waveguide is thick (5¹m) in order to reduce the optical absorption losses. (iii) It is con¯ned between the gold mirror and a GaAs/AlOx mirror called \Bragg/aperiodic" : a few aperiodic pairs are superimposed on several Bragg pairs in order to prevent leaking into the substrate by evanescent coupling. (iv) The WARTLED has a circular geometry injected in the center which avoids the formation of whispering gallery modes. (v) The absorbing central injection area, which contains the quantum wells and the gold mirror, is laterally separated from the rest of the structure using a mesa etch, thus creating a coupling between the absorbing injection guide and a \lossless" propagation guide. (vi) The transmission of the guided modes impinging on the tapered side is calculated with an optical ray tracing model, the geometrical optics approximation being justi¯ed by the large thickness of the waveguide. The extraction is maximum when the taper has a slope angle located between 4± and 10± and when the back GaAs/AlOx mirror is very re°ective. By taking into account the complete geometry of the device, the surface extraction e±ciency of a WARTLED theoretically exceeds 80%. The ¯rst WARTLED fabrication encountered epitaxial problems and the measured external quantum e±ciency was not very large. However, the whole set of measurements is in good agreement with the optical modeling, and allows a detailed understanding of the encountered problems. In particular, the measurements analysis gives an internal quantum e±ciency which varies between 1% and 20% and which strongly depends on the diameter of the injection mesas. This dependence comes from non-radiative recombinations on the edges of the mesa, which should be avoided without too many di±culties, using an additional con¯nement layer. The credibility of the WARTLED concept is thus not called into question by these ¯rst measurements, quite to the contrary. As of next fabrication, we thus expect to make a WARTLED having a very good external quantum e±ciency. 12
