Résumé - Ixarm

Réalisation de diodes électroluminescentes visibles à base de Nanofils GaN/InGaN
Anne-Laure Bavencove : Doctorante au CEA-LETI, Grenoble (Cofinancement CFR-DGA)
[email protected] - +33 (0)4 38 78 32 36
Le Si Dang (Directeur de thèse) : Directeur de Recherche à Institut Néel, Grenoble (CNRS)
[email protected] - +33 (0)4 76 88 74 18
Philippe Gilet (Encadrant CEA) : Ingénieur CEA-LETI, Grenoble
[email protected] - +33 (0)4 38 78 98 75
Au cours de ces trois années de thèse, les travaux ont consisté à réaliser des diodes
électroluminescentes (LEDs) visibles à base de nanofils InGaN/GaN verticaux contenant une jonction
p-n et connectés collectivement en parallèle. Grâce à leurs propriétés intrinsèques potentielles (bonne
qualité cristalline, relaxation des contraintes aux surfaces libres verticales, bonne efficacité
d’extraction de la lumière par effet de guide d’onde…) les nanofils sont considérés comme des
candidats potentiellement intéressants pour pallier les difficultés rencontrées actuellement par les
LEDs GaN conventionnelles fabriquées en structure planaire (2D). En effet, malgré leur faible
consommation énergétique et leur longue durée de vie, des problèmes technologiques (« Green
Gap » et « Efficiency Droop ») ainsi que des coûts de fabrication élevés limitent considérablement le
développement des systèmes d’éclairage à LEDs planaires InGaN/GaN.
Deux approches LEDs Nanofils, basées sur des techniques de croissance différentes, ont été
développées au cours de ces travaux au sein du CEA Grenoble.
La première filière consiste à épitaxier des nanofils GaN contenant des puits quantiques InGaN en
configuration axiale par Epitaxie par Jet Moléculaire (MBE). Les dispositifs fabriqués à partir de ces
nanofils ont donnés des résultats intéressants dans le domaine spectral vert. Les puces processées
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de 1 mm émettent autour de 10 µW à 550 nm pour un courant continu de fonctionnement de 100 mA.
Afin de mieux comprendre les mécanismes d’émission mis en jeu au sein de ces dispositifs, des
caractérisations électro-optiques à l’échelle nanométrique ont été réalisées. L’outil utilisé est un
microscope confocal modifié qui permet la réalisation de cartographies spectrales avec une résolution
spatiale de l’ordre de 400 nm. De plus, une étape de calibration en puissance a été réalisée afin
d’évaluer la puissance optique émise par un point lumineux, associé à l’émission d’un nanofil unique.
Les caractérisations ont mis à jour le caractère pointilliste et polychromatique de nos dispositifs LEDs
Nanofils. En effet, 1 fil sur 500 émet effectivement de la lumière et parmi ces fils actifs, les longueurs
d’onde d’émission varient entre 480 nm et 620 nm. Ces inhomogénéités sont partiellement attribuées
aux mécanismes de nucléation aléatoires mis en jeu au cours de la croissance MBE spontanée. La
puissance optique maximale enregistrée sur un fil unique émettant à 550nm est de 50nW, soit 5
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W/mm si on avait 10 fils émetteurs/mm . Ce chiffre très prometteur doit cependant être nuancé par
les problèmes d’injection identifiés et le contrôle des mécanismes de croissance constitue la
prochaine étape nécessaire afin d’améliorer les rendements de ces dispositifs.
Plus récemment, la technique de croissance MOCVD (dépôt chimique en phase vapeur à base
d’organométalliques) a permis la réalisation de nanofils InGaN/GaN contenant une structure LED
radiale (configuration Cœur/Coquille). Dans cette approche, la structure LED étant en configuration
Cœur/Coquille, la surface de la zone active est beaucoup plus importante que dans l’approche LEDs
2D. Cette propriété apporte deux avantages considérables : augmentation de la surface émissive et
diminution des densités de courant dans la zone active. Des structures complètes de LEDs nanofils
MOCVD ont été réalisées sur substrat Silicium et l’électroluminescence dans le domaine spectral bleu
(450nm) a été obtenue sur un ensemble de nanofils intégrés après process technologique. Ces
résultats qui sont actuellement à l’état de l’art international ont déclenché le lancement d’une Start-up
issue du CEA-Leti. Son objectif est de développer une technologie LEDs à base de nanofils
GaN/InGaN MOCVD à des coûts de fabrication réduits et des performances acceptables pour
prétendre concurrencer les LEDs 2D conventionnelles sur le marché de l’Eclairage à l’Etat Solide.