Diodes électroluminescentes à nanofils nitrures

Nitride nanowire light-emitting diode

• Auteur / Autrice : Nan Guan
• Direction : François Julien, Maria Tchernycheva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 12/10/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Gil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Julien, Maria Tchernycheva, Bernard Gil, Jean-Paul Salvestrini, Jean-Yves Duboz, Jean-Christophe Harmand, Christophe Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Salvestrini, Jean-Yves Duboz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Graphène

Nanofils

Nitrure de gallium

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Nanofil

GaN

LED

Graphène

Flexible

Nanowire

GaN

LED

Graphene

Flexible

Résumé

Les nanofils nitrures présentent des propriétés optoélectroniques extraordinaires et sont considérés comme des matériaux prometteurs pour des diodes électroluminescentes (LEDs), grâce à leur haute qualité cristalline, leurs surfaces non-polaires, leur bonne flexibilité mécanique, leur rapport d’aspect élevé, etc.Cette thèse adresse la croissance, la fabrication, les caractérisations optiques et électriques et la simulation optique des dispositifs à base de nanofils nitrures, avec un accent particulier sur les LEDs à nanofils.Premièrement, cette thèse présente la croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques de nanofils nitrures cœur-coquille auto-assemblés contenant des puits quantiques InGaN/GaN sur les facettes plan m avec différentes concentrations d’In. Puis est décrite la fabrication de LEDs utilisant ces nanofils suivant deux différentes stratégies d’intégration (intégrations planaires et verticales).L’intégration planaire est basée sur des nanofils uniques dispersés horizontalement. J’ai proposé une plateforme photonique intégrée composée d’une LED à nanofil, d’un guide d’onde optimisé et d’un photodétecteur à nanofil. J’ai également développé un système d’alignement des nanofils.L’intégration verticale a pour objectif la réalisation de LEDs flexibles reposant sur une assemblée de nanofils verticaux encapsulées dans des polymères. Je montre que ceci permet la fabrication de LEDs flexibles monochromatiques, bi-couleurs ou blanches.Les nanofils épitaxiés sur des matériaux 2D par épitaxie de van de Waals sont faciles à décoller de leur substrat natif. Avec cette motivation, dans la dernière partie de cette thèse, j’ai étudié la croissance organisée des nanofils GaN sur du graphène micro et nano-structuré utilisant l’épitaxie par jets moléculaires.

Nitride nanowires exhibit outstanding opto-electronic and mechanical properties and are considered as promising materials for light-emitting diodes (LEDs), thanks to their high crystalline quality, non-polar facets, good mechanical flexibility, high aspect ratio, etc.This Ph.D. thesis addresses the growth, the device fabrication, the optical and electrical characterizations and the optical simulations of III-nitride NW devices, with a special emphasis on the LED applications.First, this thesis presents the growth of m-plane InGaN/GaN quantum wells with different In concentrations in self-assembled core-shell nanowires by metal-organic chemical vapor deposition. Then, by using these nanowires, LED devices based on two different integration strategies (namely, in-plane and vertical integration) are demonstrated.The in-plane integration is based on the horizontally dispersed single nanowires. I have proposed a basic integrated photonic platform consisting of a nanowire LED, an optimized waveguide and a nanowire photodetector. I have also developed a nanowire alignment system using dielectrophoresis.The vertical integration targets the fabrication of flexible LEDs based on vertical nanowire arrays embedded in polymer membranes. Flexible monochromatic, bi-color, white LEDs have been demonstrated. Their thermal properties have been analyzed.The nanowires grown on 2D materials by van der Waals epitaxy are easy to be lifted-off from their native substrate, which should facilitate the fabrication of flexible nanowire devices. With this motivation, in the last part of this thesis, I have investigated the selective area growth of GaN NWs on micro- and nano- scale graphene by molecular beam epitaxy.