Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de photonique et d'électronique quantiques IPEQ

Microcavity light emitting diodes in the visible red and near infrared wavelength range

Joray, Reto ; Ilegems, Marc (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3170.

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    Summary
    It was about 125 years ago that the light bulb was commercialized by Thomas Edison. No doubt a brilliant invention at the time, today its low power conversion efficiency is one of the reasons why lighting in the western world has such high energy consumption. Thus, the potential for saving energy is enormous in this area. The introduction of halogen, discharge and fluorescent lamps has lead to certain efficiency improvements, however more than half of the energy is still lost as heat. Light-emitting diodes (LEDs) are very promising candidates for high efficiency light sources, with modern devices showing internal quantum efficiencies of virtually 100 %. However, due to the high refractive index of the commonly used semiconductor materials it is very difficult to have a large extraction efficiency; in a standard cubic geometry most of the internally emitted light is trapped inside the device due to total internal reflection. Several methods have been developed in order to circumvent this problem, either by optimizing the device geometry in order to increase the escape cone or by incorporating a resonant structure in order to force the internal emission into the existing escape cone. The latter approach is called microcavity LED (MCLED) or resonant cavity LED (RCLED). In a MCLED the spontaneous internal emission is controlled by placing the emitter inside an optical cavity with a thickness of the order of its emitting wavelength. The resulting interference effects increase the part of the emission that can be extracted. Contrary to the other approaches this is possible without changing the device geometry and thus without additional costly back-end processing steps. The control of the farfield radiation pattern makes these devices particularly interesting for high brightness applications, which demand highly directional emitters, such as for printing, bar code reading, large area displays and optical communication. The extraction efficiency of a MCLED is inversely proportional to the effective cavity length. An ideal cavity, allowing an extraction efficiency close to unity, consists of a low refractive index material and has an optical length of λ/2. In contrast to this, to obtain high internal quantum efficiencies it is necessary to use high index cavities with an optical length of at least λ. It should be noted, that the large penetration depth of the optical field in the semiconductor-based distributed Bragg reflectors (DBRs) leads to a significant increase of the effective cavity length and thus further reduces the achievable extraction efficiencies. In this thesis novel concepts to reduce effective cavity lengths and therefore increase extraction efficiencies are implemented into standard MCLED structures. The phaseshift cavity principle whilst maintaining the electrical properties of a standard A cavity achieves optical properties approaching that of a λ/2 cavity. The use of AlOx instead of AlAs as the, low refractive index component in the DBRs leads to smaller penetration depths and a concomitant reduction of the effective cavity length. A similar effect can be obtained by combining a resonant cavity with a thin-film structure. Thanks to these design improvements, the external quantum efficiency of different types of MCLEDs was increased. Near infrared emitting InGaAs/GaAs MCLEDs including a phase-shift cavity were realized, as both bottom and top emitting structures. The external quantum efficiencies achieved for emission into air were 18 and 19 %, respectively. With the additional incorporation of an oxide based bottom DBR, the efficiency of top emitting near infrared MCLEDs was further increased to 28 %. Red emitting AlGaInP-based structures are not compatible with the phase-shift cavity principle. However the beneficial effect of the implementation of an oxide DBR is greater at their wavelength rather than in the near infrared. Thus with preliminary red emitting GaInP/AlGaInP MCLEDs containing a bottom oxide DBR external quantum efficiencies of 12% could be achieved. Unfortunately, the incorporation of an oxide DBR significantly complicates the device design and the device fabrication. These problems can be avoided by combining the resonant cavity with a thin-film structure instead. Initial non-optimized red emitting thin-film MCLEDs were realized by OSRAM Opto Semiconductors and characterized in this work. They show external quantum efficiencies of 23 % and 18 % with and without encapsulation, respectively. It is assumed that a significant fraction of the high external quantum efficiency is due to a strong photon recycling effect in these devices. Simulations presented in this thesis show that the theoretical limits for the MCLEDs discussed above are slightly higher than the values obtained, encouraging further device optimization. The thin-film MCLEDs seem to hold the biggest potential for high efficiency emission from MCLEDs, independent of the wavelength range of emission.
    Zusammenfassung
    Die Glühlampe wurde vor etwa 125 Jahren durch Thomas Edison kommerzialisiert. Zweifellos eine geniale Erfindung zu dieser Zeit, ist die Glühlampe mit ihrem geringen Wirkungsgrad heute mitverantwortlich für den hohen Energieverbrauch für Beleuchtung in der westlichen Welt. In Anbetracht der niedrigen Effizienzen handelsüblicher Lichtquellen weist dieser Bereich ein enormes Energiesparpotential auf. Die Einführung von Halogen-, Entladungs- und Fluoreszenzlampen hat zu gewissen Effizienzverbesserungen geführt, wobei nach wie vor mehr als die Hälfte der Energie als Wärme verloren geht. Leuchtdioden (englisch: light-emitting diodes (LEDs)) sind vielversprechende Kandidaten für hocheffiziente Lichtquellen, da moderne Bauteile eine interne Quanteneffizienz von nahezu 100 % aufweisen. Der hohe Brechungsindex der allgemein verwendeten Halbleitermaterialien macht es jedoch schwierig, dieses Licht auszukoppeln. Für eine gewöhnliche kubische Geometrie wird das meiste intern emittierte Licht durch Totalreflexion ins Innere des Bauteils zurückreflektiert. Diverse Methoden wurden entwickelt, um dieses Problem zu umgehen. Diese basieren entweder auf der Optimierung der Bauteilgeometrie, um den Lichauskopplungskegel zu vergrössern, oder auf der Implementation eines optischen Resonators, um die interne Emission bereits von vornherein in Richtungen zu konzentrieren, die nicht der Totalreflexion unterliegen. Der letztere Ansatz wird Microcavity LED (MCLED), oder auch Resonant Cavity LED (RCLED) genannt. In einer MCLED wird die spontane interne Emission kontrolliert indem der Emitter in einen optischen Resonator mit einer vertikalen Ausdehnung in derselben Grössenordnung wie die Emissionswellenlänge plaziert wird. Dank der daraus folgenden Interferenzeffekte kann ein grösserer Anteil der Emission ausgekoppelt werden. Im Gegensatz zu den anderen Methoden erfordert dies keine Anpassung der Bauteilgeometrie und daher keine zusätzlichen, kostspieligen Endbearbeitungsschritte. Dank der Kontrolle über das Fernfeld sind diese Bauteile insbesondere für Anwendungen, welche eine gerichtete Emission verlangen, wie zum Beispiel Drucker, Strichcodelesegeräte, Grossbildschirme oder optische Kommunikation geeignet. Die externe Quanteneffizienz einer MCLED ist umgekehrt proportional zur effektiven Resonatorlänge. Ein idealer Resonator mit einer Auskoppeleffizienz von nahezu eins besteht aus einem Material mit einem tiefen Brechungsindex und weist eine optische Länge von λ/2 auf. Zur Zeit können jedoch nur für Resonatoren mit einem hohen Brechungsindex und mit einer Länge von mindestens λ genügend hohe interne Quanteneffizienzen erreicht werden. Zusätzlich führt die hohe Penetrationstiefe des optischen Feldes in die aus Halbleitern aufgebauten, so genannten Bragg-Spiegel zu einer erheblichen Zunahme der effektiven Resonatorlänge und somit zu einer weiteren Verringerung der erzielbaren Auskoppeleffizienzen. In dieser Arbeit wurden neuartige Konzepte in klassische MCLED-Strukturen einbezogen, die geringere effektive Resonatorlängen und daher höhere Effizienzen ermöglichen. Das Prinzip der Phasenverschiebung ("phase-shift cavity") erlaubt es, die elektrischen Eigenschaften eines herkömmlichen λ-Resonators beizubehalten, bei gleichzeitiger Annäherung der optischen Eigenschaften an die eines λ/2-Resonators. Der Einsatz von AlOx statt AlAs als Komponente mit niedrigerem Brechungsindex in den Bragg-Spiegeln führt zu einer geringeren Penetrationstiefe und damit einer Verringerung der effektiven Resonatorlänge. Ein ähnlicher Effekt wird erreicht mit der Kombination des optischen Resonators mit einer Dünnfilmstruktur. Dank dieser Verbesserungen des Bauteildesigns konnte die externe Quanteneffizienz von verschiedenen Typen von MCLEDs erhöht werden. Im nahen Infrarot emittierende InGaAs/GaAs MCLEDs mit einem Phase-shift Resonator wurden als nach unten oder oben emittierende Strukturen realisiert. Die erreichten externen Quanteneffizienzen für Emission in Luft entsprechen 18 und 19 %. Mit der zusätzlichen Implementation eines Oxid-Spiegels konnte die Effizienz von Oberflächen-emittierenden MCLEDs im nahen Infrarot auf 28 % erhöht werden. Strukturen basierend auf AlGaInP, die im roten Wellenlängenbereich emittieren, sind nicht kompatibel mit dem Phasenverschiebungsprinzip. Umgekehrt hat die Integration eines Oxid-Spiegels einen grösseren Effekt als im nahen Infrarot. Daher konnten mit rot emittierenden GaInP/AlGaInP MCLEDs mit einem unteren Oxid-DBR externe Quanteneffizienzen von 12 % erreicht werden. Die Eingliederung eines Oxid-Spiegels macht das Bauteildesign und dessen Herstellungsprozess jedoch massgeblich komplizierter. Diese Probleme können vermieden werden indem der optische Resonator stattdessen mit einer Dünnfilmstruktur kombiniert wird. Erste, nicht optimierte, rot emittierende Dünnfilm-MCLEDs wurden von OSRAM Opto Semiconductors hergestellt und als Teil dieser Arbeit charakterisiert. Diese Leuchtdioden weisen externe Quanteneffizienzen von 23 % mit und 18 % ohne Verkapselung auf. Es wird angenommen, dass ein beträchtlicher Anteil dieser hohen externen Quanteneffizienz von einem starken Photon Recycling-Effekt in diesen Bauteilen herrührt. Im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Simulationen zeigen, dass das theoretische Limit für die oben erwähnten verschiedenen Typen von MCLEDs noch geringfügig höher liegt als die erreichten Werte. Dies macht eine weitere Bauteiloptimierung interessant. Dünnfilm-MCLEDs scheinen derzeit das grösste Potential als hocheffiziente MCLED zu haben, unabhängig von der Emissionswellenlänge.
    Résumé
    La lampe à incandescence fut commercialisée par Thomas Edison il y a 125 ans de cela. Sans conteste une invention de génie à l'époque, elle est en partie responsable aujourd'hui de la consommation élevée en énergie pour l'illumination dans les pays occidentaux à cause de sa faible conversion de puissance. Donc ce secteur possède un énorme potentiel pour économiser de l'énergie. L'introduction des lampes halogènes, des lampes fluorescentes et des lampes à décharge a permis d'améliorer quelque peu l'efficacité de conversion, mais plus de la moitié de l'énergie produite est encore perdue sous forme de chaleur. Les diodes électroluminescentes (DELs, ou encore LEDs) sont des candidats prometteurs comme sources de lumière à haute efficacité car les dispositifs modernes atteignent des efficacités quantiques internes proches de 100 %. Néanmoins, l'indice de réfraction élevé des semiconducteurs utilisés rend l'extraction de la lumière difficile car, pour une géométrie cubique, une grande partie de la lumière est confinée dans le dispositif à cause des réflexions totales à chaque interface. De nombreuses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème, soit en optimisant la géométrie du dispositif afin d'agrandir le cône d'extraction, soit en introduisant une cavité résonnante pour forcer l'émission de lumière dans le cône d'extraction déjà existant. La deuxième approche est appelée LED à microcavité (MCLED), ou également LED à cavité résonante (RCLED). Dans une MCLED, l'émission spontanée interne est contrôlée en plaçant l'émetteur dans une cavité optique dont l'épaisseur se rapproche de la longueur d'onde d'émission. Suite aux effets d'interférences, une plus grande partie de la lumière émise peut être extraite en redirigeant celle-ci dans le cône d'extraction. Contrairement aux autres approches, cela est possible sans changer la géométrie du dispositif et donc sans étapes de fabrication supplémentaires. Le contrôle de la forme de l'émission rend ces dispositifs particulièrement intéressants pour des applications de haute brillance demandant des émetteurs hautement directionnels, comme l'impression de documents, la lecture de code-barre, la fabrication d'écrans larges et la communication par fibres optiques. L'efficacité d'extraction d'une MCLED est inversement proportionnelle à la longueur effective de la cavité. Une cavité idéale, permettant des efficacités d'extraction proche de l'unité, consiste en un matériau de bas indice de réfraction et d'une longueur optique de λ/2. Au contraire, des efficacités quantiques internes suffisamment hautes sont réalisables seulement avec des cavités à haut indice de réfraction et d'une longueur minimale de λ. De plus, la longueur de pénétration du champ optique dans les miroirs de Bragg semiconducteur (DBRs) mène à une augmentation significative de la longueur effective de la cavité et en conséquence une diminution de l'efficacité quantique de la MCLED. Dans cette thèse, de nouveaux concepts sont appliqués aux MCLEDs standards afin de réduire la longueur effective de la cavité et d'augmenter ainsi l'efficacité quantique externe des dispositifs. Le principe de la "cavité déphasée" permet de conserver les propriétés d'injections électriques de la cavité λ tout en s'approchant des propriétés optiques favorables de la cavité λ/2. L'utilisation de l'oxyde d'aluminium AlOx au lieu de l'AlAs comme couche à bas indice de réfraction dans les miroirs de Bragg permet de diminuer la longueur de pénétration dans le miroir et de réduire la longueur effective de la cavité. Une autre approche pour y parvenir est de combiner la MCLED avec une structure à couches minces. Grâce à ces améliorations, l'efficacité quantique externe de divers type de MCLEDs fut améliorée. Des MCLEDs InGaAs/GaAs émettant dans l'infrarouge proche vers le haut ou à travers le substrat furent réalisées avec une cavité déphasée. Les efficacités quantiques externes sont respectivement de 18% et 19%. En remplaçant le DBR du bas par un DBR AlOx, des efficacités de 28 % on été mesurées pour des structures émettant vers le haut. Les structures émettant dans le rouge à base d'alliage d'AlGaInP ne sont pas compatibles avec le principe de la cavité déphasée, par contre les bénéfices de l'utilisation du DBR AlOx sont plus prononcés que pour les structures infrarouges. Des MCLEDs GaInP/AlGaInP contenant un miroir AlOx furent donc réalisées et atteignirent des efficacités quantiques externes de 12% malgré une incorporation du miroir difficile du point de vue du design et de la fabrication de la structure. Les problèmes liés à l'AlOx peuvent être évités en combinant la structure MCLED standard avec une structure à couches minces. Des premières MCLEDs à couches minces émettant dans le rouge était réalisées par OSRAM Opto Semiconductors et caractérisées lors de cette thèse. Malgré leur detuning non optimisées, ces diodes montrent des efficacités de 23 % et 18 % avec et sans encapsulation. Il est probable que l'efficacité quantique externe élevée mesurée dans ses structures est liée à un effet important de recyclage de photons. Des simulations effectuées dans le cadre de cette thèse montrent que les limites théoriques pour les structures à microcavité mentionnées ci-dessus sont légèrement supérieures aux valeurs mesurées, ce qui laisse entrevoir des possibilités d'optimisations. Les MCLEDs à couches minces semblent posséder le meilleur potentiel pour la réalisation de MCLEDs à haute efficacité, et ce indépendamment de la gamme de longueur d'onde d'émission.