Corrélation de mesures électro-optiques en température dans les micro-structures LED à puits quantiques pour applications micro-écrans

Correlation of electro-optical temperature measurements in quantum well LED micro-structures for micro-displays applications

• Auteur / Autrice : Younes Boussadi
• Direction : Bruno Masenelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 08/03/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Sagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Masenelli, Isabelle Sagnes, Guilhem Almuneau, Yamina André, Gabriel Ferro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guilhem Almuneau, Yamina André

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Diodes électroluminescentes

Systèmes d'affichage

Mots clés libres

Electronique

Semi-Conducteur

Micro-Écran

Led

Photoluminescence

Jonction P-N

MET - Microscopie électronique à transmission

Gravure électrochimique

Caractérisation chimique

Caractérisation optique

Pixel

Passivation

Epitaxie

Electronics

Semi-Conductors

Micro-Display

LED - Light Emitting Diode

Photoluminescence

P-N Junction

Electronic Transmission Microscopy

Etching

Chemical Characterization

Optical Characterization

Pixel

Passivation

Epitaxy

Résumé

Les micro-écrans contrairement aux écrans traditionnels ne font que quelques millimètres de diagonale et sont généralement munis d’un système d’agrandissement pour projeter leur image. Afin d’atteindre une qualité d’image égale à celle des écrans traditionnels, une certaine densité de pixels doit être atteinte, mais la surface réduite des micro-écrans impose une miniaturisation des pixels à une échelle micrométrique. De plus, l’utilisation des micro-écrans dans des technologies dites « portables » telles que les lunettes de réalité augmentée, impose d’autres contraintes comme la nécessité d’une faible consommation énergétique et un flux lumineux conséquent. Les technologies déjà présentes (LCD, OLED) ne remplissent que partiellement les caractéristiques nécessaires pour subvenir aux spécificités d’applications micro-écran. Pour adresser ces besoins, une nouvelle technologie est en cours de développement, les micro-LEDs. Ces dernières sont simplement des LEDs de taille micrométrique, adaptées à la surface réduite des micro-écrans. Les micro-LEDs jouissent théoriquement des avantages des LEDs (faible consommation énergétique, forte brillance) les plaçant comme la technologie la plus adaptée pour des applications micro-écran en réalité augmentée. Cependant, la miniaturisation des LEDs en micro-LEDs ajoute une nouvelle problématique, les micro-LEDs voient leur rendement fortement baisser avec la miniaturisation. De plus, à cette problématique, s'ajoute la complexité des épitaxies micro-LED (multicouches, puits quantiques) et un procédé de fabrication compliqué. Dans ce contexte, cette thèse s’est attachée à étudier les micro-LEDs en corrélant plusieurs techniques de caractérisation en vue de comprendre et proposer des solutions à ces problématiques. Une attention particulière a été portée sur les micro-LEDs à base d’AlGaInP émettant dans le rouge. Dans un premier temps, l’impact de la gravure a été étudié à l’étape de pixellisation (MESA) par caractérisations optiques et chimiques. Dans cette partie, une nouvelle approche a été explorée afin d’estimer le rendement des pixels par cartographie hyperspectrale de cathodoluminescence. La particularité de l’approche développée est sa simplicité, qui permet d’effectuer des mesures rapides pour évaluer le rendement en chaque point (x,y) du pixel. Cette approche a été ensuite mise en application pour comparer différentes variantes de passivation chimique, destinées à réduire les recombinaisons de surface. En deuxième partie, une étude sur dispositifs micro-LEDs a été conduite. Tout d’abord de façon classique où des mesures I-V-L (Courant-Tension-Luminance) ont été utilisées pour évaluer l’EQE en fonction de la taille. L’épitaxie a été ensuite évaluée par différentes caractérisations TEM, dont l’holographie qui a démontré une dissymétrie de la jonction, confirmée par des simulations de structure de bande.

Micro-displays, unlike traditional displays, are only a few milimeters in diagonal. They are generally equipped with a magnification system to project their image. In order to achieve an image quality equal to that of traditional displays, a certain pixel density must be attained, but the small surface of the micro-displays requires pixel miniaturization to a micrometric scale. In addition, the use of micro-displays in the so-called “portable technologies” such as augmented reality glasses imposes other constraints such as the need for low energy consumption and a consequent luminous flux. The display technologies that are already available in the market (LCD, OLED) partially meet the specifications of micro-display applications. To address these needs, a new technology is being developed, micro-LEDs. Micro-LEDs are simply micrometric-sized LEDs, adapted to the small surface of micro-displays. Micro-LEDs theoretically benefit from the advantages of LEDs (low energy consumption, high brightness) placing them as the most suitable technology for micro-display applications in augmented reality. However, the miniaturization of LEDs adds a new chalenge; micro-LEDs see their efficiency drop sharply with miniaturization. In addition to this problem, the complexity of micro-LEDs epitaxies (multilayers, quantum wells) and a complicated manufacturing process must be taken into account. In this context, this thesis is focused on studying micro-LEDs by correlating several characterization techniques in order to understand and propose solutions to these issues. Particular attention was paid to micro-LEDs based on AlGaInP emitting red wavelength. To begin with, the impact of the etching process was studied at the pixel formation step (MESA) by optical and chemical characterization methods. In this part, a new approach was explored in order to estimate the efficiency of the pixels by hyperspectral cathodoluminescence mapping. The particularity of the developed approach is its simplicity, which allows to perform fast measurements to evaluate the efficiency at each point (x,y) of the pixel. This approach was then applied to compare different variants of chemical passivation, intended to reduce surface recombinations. In a second part, a study on micro-LED devices was carried out. First, classical I-V-L (Current-Tension-Luminance) measurements were conducted to evaluate the EQE as a function of the devices size. The epitaxy was then evaluated by different TEM characterizations including holography, which revealed a junction asymmetry, confirmed by band structure simulations.