Diodes électroluminescentes nanostructurées à base de nitrures d’éléments III

Nanostructured III-nitride light emitting diodes

• Auteur / Autrice : Nuño Amador-Méndez
• Direction : Maria Tchernycheva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 18/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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-....) - Laboratoire des Matériaux Semiconducteurs (Lausanne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrique Calleja, Rachel Grange, Anna Fontcuberta i Morral, Benjamin Damilano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Enrique Calleja, Rachel Grange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Phosphore

Diodes électroluminescentes

Nanopores

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils

III-V

Nitrures

LEDs

GaN poreux

Nanowires

III-V

Nitrides

LEDs

Porous GaN

Résumé

Les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) flexibles font l'objet d'une recherche intense, motivée par des applications telles que les écrans pliables, les sources de lumière conformables, les dispositifs biomédicaux, etc. La rigidité mécanique des dispositifs à base de semi-conducteurs inorganiques rend la fabrication de dispositifs flexibles à partir de structures à couches minces assez difficile, une micro-structuration de la couche active étant nécessaire. Dans cette thèse, à la place des couches bidimensionnelles, deux types de nanostructures de nitrure du groupe III sont étudiés, à travers deux approches : (i) approche ascendante (bottom-up) utilisant des nanofils cœur-coquille, et (ii) approche descendante (top-down) utilisant une structure poreuse.L’encapsulant des nanofils dans une matrice de polymère permet de combiner la haute efficacité et la longue durée de vie des matériaux semi-conducteurs inorganiques avec la flexibilité des polymères. Des nanofils cœur-coquille, épitaxiés en MOCVD, ont permis la fabrication de LEDs à nanofils flexibles bleues et vertes. Des nanophospors de couleurs d’émission différentes ont, en parallèle, été utilisés pour fabriquer une deuxième génération de LED blanche ainsi que des LEDs à nanofils flexibles rouges. Pour ces dernières, différentes stratégies ont été mises à l’épreuve : l’utilisation de nanofils à puits quantiques multiples InGaN/GaN enrichis en In, la conversion d’émission bleue vers rouge à base de phosphore ou bien l’emploi de nanofils en GaAsP.Une approche par sublimation sélective fut appliquée pour porosifier des structures telles que puits quantiques simples InGaN/GaN et des structures de LED p-i-n. Dans ce manuscrit, je présente différentes études de structures poreuses. Les études optiques sont réalisées par cathodoluminescence. Je décris également l’optimisation de la technologie de fabrication des LEDs, qui a permis de démontrer la première LED InGaN/GaN poreuse, en comblant les pores avec du parylène afin d’isoler électriquement la structure.

Flexible light emitting diodes (LEDs) are today a topic of intense research driven by applications such as bendable displays, conformable light sources, bio-medical devices, etc. The conventional inorganic semiconductor devices are mechanically rigid; the fabrication of flexible devices from thin film structures is quite challenging and requires microstructuring and lift-off of the active layer. Instead of two-dimensional films, in this thesis two types of III-nitride nanostructures are studied: (i) bottom-up strategy using core shell nanowires, and (ii) top-down strategy using a porous structure.Polymer-embedded nanowire membranes combine the high efficiency and the long lifetime of inorganic semiconductor materials with the high flexibility and transparency of polymers. I used MOCVD cores shell NWs for the fabrication of flexible blue and green NW LEDs, I also combined them with nanophosphors of different emission color to produce second generation white LED with improved color quality. For the fabrication of red flexible NW LEDs, I tested different strategies, namely all-InGaN route based on In rich InGaN/GaN MQW NWs, downconversion of a blue light by a red phosphor and red emission from GaAsP NWs.Selective area sublimation was demonstrated to be a promising approach to improve the luminous efficacy of defective GaN layers on Si. In my work, I analyzed the impact of porosification on InGaN/GaN single quantum wells and on p-i-n light emitting diode structures. The optical analyses were performed by cathodoluminescence demonstrating that high temperature sublimation process does not degrade the QW emission while electron beam induced current microscopy showed that the p-i-n junction profile is also preserved after sublimation. I also describe the optimization of the technology for porous LED fabrication following several strategies. As a result, I demonstrated the first porous InGaN/GaN blue LED using parylene pore filling for electrical insulation.