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MILAGaN vise à développer des lasers microdisques pompés électriquement à base de matériaux nitrures (Al,Ga,In)-N couvrant
la gamme UV-visible. Plusieurs applications peuvent être envisagées: la purification/désinfection de l'eau et de l'air, la
détection d’espèces chimiques et la fabrication de sources solides toujours plus efficaces pour l’éclairage. MILAGaN concentrera
son attention sur l'éclairage, car c'est probablement un des enjeux les plus importants de ce siècle.
La part de l'éclairage à semiconducteurs augmente rapidement en raison de sa meilleure efficacité énergétique par rapport aux autres
technologies et de ce fait, des économies d'énergie significatives sont attendues. La seule limitation freinant son adoption massive
est le prix des diodes électroluminescentes (LED). Une solution consiste à réduire le nombre de LED dans la lampe et de les piloter
à fort courant. Malheureusement, les LED à base de GaN ont une efficacité qui chute à fort courant, et perdent de ce fait une partie
de leur intérêt énergétique. Cet effet est lié au processus d'émission spontanée et peut être largement supprimé en utilisant des
sources d'émission stimulée, c'est-à-dire des lasers. Parmi les différentes géométries de laser, les microdisques conviennent parfaitement
à cette application. En s’appuyant sur l’expertise du consortium sur le GaN-on-Si, l’idée du projet est de développer des lasers microdisques
injectés électriquement émettant dans l’UV/bleu pour pomper des phosphores afin d’émettre une lumière blanche. La fabrication de réseaux de
microdisques pilotés en parallèle permettra d’obtenir une puissance optique élevée. Les premiers prototypes permettront d’évaluer les problèmes
potentiels liés à cette nouvelle technologie, tels que le coût des dispositifs, la gestion de la thermique, les pertes, la durée de vie et la
robustesse. Mais l’objectif premier du projet et son principal défi consiste à fabriquer des lasers microdisques injectés électriquement. Le
pompage optique a déjà été démontré dans ces microdisques, des facteurs de qualité élevés ont été mesurés et l’effet laser a
été observé. La difficulté du projet consiste donc à reproduire ces caractéristiques mais cette fois en pompage électrique, ce qui est
complètement nouveau et constitue un vrai défi. Le consortium regroupe 4 partenaires avec une expertise complémentaire en France et un partenaire
à Hong Kong. Les partenaires français collaborent depuis longtemps dans ce domaine et ont une bonne expérience dans la fabrication des cristaux
photoniques, des microdisques et des cavités planaires en matériaux nitrures. Cependant, manquant d'expérience dans les domaines des microdisques
injectés électriquement et des sources de lumière blanche, l’expertise d’un partenaire localisé à Hong Kong (HKU) s’est avérée indispensable. HKU
possède une solide expérience dans la mise en œuvre des luminophores pour les sources de lumière blanche et plus généralement dans l’injection
électrique des nanocomposants. Grâce à cette expertise complémentaire, le projet propose de réaliser un procédé complet, qui va de l'épitaxie
jusqu’au prototype avec le dépôt du phosphore. Il n’est cependant pas question, dans le cadre de ce projet, de démontrer que la technologie
µdisques va concurrencer la technologie LED existante qui a connu deux décennies d'optimisation. L'objectif du projet est avant tout d'évaluer
le potentiel des lasers µdisques pour l'éclairage à l'état solide et d'identifier les problèmes et les limites de cette technologie innovante.
L'impact du projet sera renforcé par la nature internationale du projet, mais aussi par la force du réseau GaNeX dont tous les partenaires
français sont membres. GaNeX soutient déjà le projet MILAGaN via l’attribution d’une thèse partagée C2N/INAC. En outre, la société Aledia et
la startup EasyGaN, une jeune spin-off du CRHEA, toutes deux développant des technologies à base de matériaux nitrure sur silicium, sont
intéressées par le projet.
MILAGaN aims at developing electrically pumped microdisk-lasers covering the UV-visible range based on group III-nitrides (AlGaIn)-N. Several
applications are envisioned as a result of this project: water/air purification/disinfection, environmental sensing, and fabrication of ever more
efficient white light sources. MILAGaN will focus his attention on solid state lighting because it is likely one of the most challenging issues
of the century.
Solid state lighting is rapidly expanding due to its better energetic efficiency compared to other technologies, and the huge energy savings that
are expected. The only remaining limitation to the massive adoption of solid state lighting is the price of the light emitting diodes. One solution
is to reduce the number of LEDs in the lamp, and drive them under a larger current. Unfortunately, GaN based LED have a reduced efficiency at
larger currents (so called droop problem), and then loose part of their energetic bonus and interest. While this effect is believed to be
intrinsic, it is related to spontaneous emission and can be largely suppressed in stimulated emission sources, i.e. in lasers. Among the various
laser geometries, the microdisk laser is well suited for this application. We will develop electrical microdisk lasers emitting in the UV/blue,
and pumping phosphors, as in conventional white LEDs, to emit white light. Microdisks will be fabricated in arrays and driven in parallel in order
to achieve a high optical power. First prototypes will then help to assess very important issues such as cost of devices, thermal management,
losses, lifetime and robustness of this new technology.
But of course the main challenge is first to fabricate the electrical devices. Microdisks have been developed in nitrides for a long time for optical pumping, large resonance quality factors have been demonstrated and laser action has been achieved. The difficulty is to reproduce the same features with electrical pumping, which is completely novel and challenging.
Our consortium gathers four partners with complementary expertise in France, and one partner in Hong Kong. French partners have been collaborating for a while on nanophotonics and have a good track record in producing state of the art photonic crystals, microdisks, and planar cavities in nitrides, with record Q factors, strong coupling and polaritonic lasers. However, they lack experience in electrical microdisks and white light sources, and for this reason, the help of a Hong Kong partner has been sought in the frame of a PRCI project. The University of Hong Kong has experience in microdisks, implementation of phosphors for white light sources and in electrical nanodevices. Two approaches based on two different geometries are proposed for the microdisks. The pedestal will be in Si in a first approach, and in nitrides in the second one. Electrical connections will be slightly different in the two cases. At mid-term, we will select the best technology and use it for developing electrical lasers. Finally, phosphors will be added in order to get white light. The objective is to assess the potential of microdisk lasers for solid state lighting and identify problems and limitations. Obtaining high performance white sources based on microdisks competing with existing white LEDs, which have experienced 2 decades of optimization by large industrials companies, is obviously outside the scope of an ANR project. The impact of the project will be reinforced by the international nature of the project, and also by having all partners being members of GaNeX, which will be asked to give additional support next year to MILAGaN. Also, the company Aledia and the startup EasyGaN, a young spin-off from CRHEA, both developing nitride-based technologies on silicon for optoelectronics, are interested in the project.
ANR-17-CE08-0043
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