Microstructures émissives à cristaux photoniques en couches minces semiconductrices III-V : extraction de lumière et contrôle de la directionalité appliqués à la conversion de couleur dans les microleds

Photonic crystal-based emissive microstructures in III-V semiconductor thin films : light extraction and directivity control applied to micro-LED color conversion

• Auteur / Autrice : Amade Ndiaye
• Direction : Christian Seassal, Badhise Ben Bakir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nano-électronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 10/01/2023
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Henri Benisty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Seassal, Badhise Ben Bakir, Ralph Wirth, Isabelle Sagnes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Benisty, Dries Van Thourhout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Extraction de lumière

Directionnalité

Force de couplage

Intégration

200mm

Émission spontanée

FDTD

Modes de Bloch

Puits quantiques

Conversion de couleur

Microled

Microécran

Light extraction

Directionality

Coupling strength

Integration

200mm

Spontaneous emission

FDTD

Bloch-modes

Quantum wells

Color conversion

Microled

Microdisplay

Résumé

Les lunettes à réalité augmentée emplissent de plus en plus notre quotidien au travers de diverses applications à la fois militaires, médicales, éducatives, etc. Pour réaliser des microécrans couleurs pour lesdites lunettes la stratégie la plus viable reste pour le moment la conversion de couleur, suivant laquelle on part de matrices de μ-LEDs bleues sur lesquelles on dépose (ou colle) des convertisseurs de couleur vert et rouge. Les convertisseurs de couleurs à l’état de l’art sont à base de boîtes quantiques, souffrant de problème de photostabilité à haute luminance ainsi que d’une faible absorption dans le bleu. L’objectif de cette thèse est la conception, l’intégration & fabrication ainsi que le test de nouvelles couches de conversions à base de puits quantiques offrant plus de photostabilité à haute luminance et une très forte absorption dans le bleu. Il s’agira en particulier de lever les verrous liés à leur faible extraction de lumière (~3%), leur diagramme d’émission pas directionnel (émission quasiLambertienne) ainsi que leur intégration sur les matrices de μ-LEDs bleues sur silicium (transfert sur des matrices bleues, process and pixellisation). Durant cette thèse nous avons d’abord conçu, fabriqué et testé les premières couches de conversions à base de multi-puits quantiques InGaP/AlGaInP et de cristaux photoniques complètement optimisées pour la conversion du bleu vers le rouge dans les lunettes à réalité augmentée. Avec lesdites couches de conversion, nous avons obtenu des exacerbations de l’extraction pouvant aller jusqu’à des facteurs 9 sur des longueurs d’extraction très faibles (~2µm). Nous avons ensuite développé un nouveau formalisme matriciel 3x3 pour la modélisation de la modification de l’émission spontanée dipolaire dans des milieux stratifiés. Ledit modèle a été appliqué à des structures en géométrie de couche mince émettant de la lumière incohérente. Avec ce modèle, nous avons pu réaliser (design et démonstration expérimentale) des couches de conversions rouges avec des émissions ultra-directionnelles (~5 fois plus directionnelles qu’une émission Lambertienne). Avec cette démonstration, nous avons aussi proposé une nouvelle méthodologie pour la conception de structures multimodes à émission très directionnelle en se basant à la fois sur le contrôle de l’émission spontanée et le mécanisme de repliement de bande en 2D. Comme l’efficacité d’extraction de lumière augmente avec la longueur du cristal photonique, les pixels avec des longueurs faibles ont toujours des efficacités d’extraction faibles. Pour pallier ce problème, nous avons développé une nouvelle approche basée sur la réplication des modes de Bloch permettant d’augmenter virtuellement l’extension latérale des pixels pour laisser aux photons la possibilité de faire plusieurs allers-retours dans la cavité avant d’être extraits. Ce principe a été modélisé et démontré expérimentalement sur des pixels rouges montrant qu’on pouvait atteindre des efficacités d’environ 40% (sachant qu’on partait de ~3%) tant que les tailles de pixels sont maintenues au-dessus de 2µm, ce qui correspond aux exigences pour les applications visées. De plus, un process flow robuste et compatible à la fabrication en salle blanche 200mm a été développé pour la fabrication de tels composants. Ces travaux sont en train d’être utilisés au LETI pour faire les premiers microécrans microled couleur à bases de couches de conversion en multi-puits quantiques.

Augmented reality glasses are expanding in various applications of our daily lives such as military, medical, educational, etc. As of now, the most viable strategy for realizing full-color microdisplays for these glasses is color conversion, which starts with blue μ-LED arrays on which green and red color converters are deposited (or bonded). The state-of-the-art color converters are based on quantum dots, suffering from photostability issues at high luminance as well as a low absorption in the blue spectral range. The aim of this thesis is the design, integration & fabrication as well as testing of new quantumwell based conversion layers offering more photostability at high luminance and a very high absorption efficiency in the blue spectral range. In particular, we tackle the issues related to their low light extraction (~3%), their non-directional emission pattern (Lambertian-like emission) and their integration on blue μ-LED arrays on silicon (transfer onto blue arrays, process and pixelization). During this thesis, we have designed, fabricated and tested the first color conversion layers based on InGaP/AlGaInP multi quantum wells and photonic crystals, fully optimized for blue-to-red color conversion in augmented reality glasses. With said conversion layers, we have obtained extraction enhancement that can go up to factors of ~9 within very short extraction lengths (~2µm). We have then developed a new 3x3-matrix formalism for modeling the modification of the dipolar spontaneous emission in layered media. This model has been applied to structures in thin-film geometry emitting incoherent light. With this model, we have been able to realize (design and experimental demonstration) red conversion layers with ultra-directional emission (~5 times more directional than Lambertian emission). Along with this demonstration, we have also proposed a new methodology for the design of multimode structures with directional emission based on both spontaneous emission control and 2D band-folding mechanism. In addition, as the light extraction increases with the length of the photonic crystal, pixels with short lengths still have low extraction efficiencies. To overcome this problem, we have developed a new approach based on Bloch-mode replication in order to virtually increase the lateral extension of the pixels to allow non-extracted photons to make several round trips in the cavity before being extracted. This principle has been modeled and experimentally demonstrated on red pixels showing that efficiencies of ~40% (we recall that we have started from ~3%) can be achieved as long as the pixel sizes are kept above 2µm, which corresponds to the requirements for the targeted applications. In addition, a robust and 200mm-compatible process flow has been proposed for the fabrication of such devices. This work is currently being used at CEA-LETI to achieve the first full-color microdisplays based on multiple quantum well conversion layers.