Étude du rendement énergétique de micro-fils à base de GaN pour la réalisation d'écrans micro-LEDs

Energy efficiency evaluation of GaN-based microwires for the fabrication of micro-LEDs displays

• Auteur / Autrice : Timothée Lassiaz
• Direction : Julien Pernot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gheeraert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Clerc, Bruno Gayral
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Tchernycheva, Benjamin Damilano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroluminescence

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Cathodoluminescence

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Led

GaN

Micro-Fils

Cl

C-V

I-V-L

Led

GaN

Microwires

Cl

C-V

I-V-L

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation de micro-fils coeur-coquille à base de GaN synthétisés par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques sur substrat de silicium, pour la réalisation d’écrans micro-LEDs. Le chapitre introductif de ce manuscrit présente le marché des écrans ainsi que la place actuelle des micro-LEDs GaN, les propriétés des LEDs GaN ainsi que les spécificités des fils. Le second chapitre est consacré à l’étude par cathodoluminescence (CL) en température et résolue en temps (TRCL) de l’homogénéité d’émission en longueur d’onde et de l’efficacité quantique interne entre le pied et le sommet de fils individuels, pour des échantillons présentant différentes région actives. Une amélioration significative de l’homogénéité en longueur d’onde a pu être observée par la réduction de la hauteur des fils de 10 μm à 5 μm. Dans le troisième chapitre, le profil de dopage et la largeur de la zone de charge d’espace (ZCE) des jonctions p-n sont déterminés à l’aide de mesures capacité-tension (C-V) réalisées sur des fils individuels. La mise en place de cette nouvelle méthode expérimentale a permis l’optimisation des conditions de croissance afin d’atteindre le profil de dopage visé. La position de la zone de charge d’espace a été évaluée par combinaison d’une mesure de courant induit par faisceau d’électrons (EBIC) et d’images obtenues au microscope électronique à balayage (MEB). Dans le quatrième chapitre des mesures d’électroluminescence (EL) sur des fils individuels ont démontré des inhomogénéités d’injection électrique entre le pied et le sommet du fil. Une optimisation des conditions de croissance a permis d’améliorer significativement l’homogénéité d’injection le long des fils. Une augmentation du rendement d’injection a été observée grâce des mesures d’électroluminescence en température. Finalement, le dernier chapitre porte sur l’étude de l’influence de la hauteur des fils et de l’épaisseur des couches sur le rendement d’extraction par des mesures d’électroluminescence avant et après dépôt d’un encapsulant.Ce manuscrit est conclu par un dernier chapitre qui esquisse les points les plus critiques à venir et les ouvertures apportées par ce travail de recherche.

This thesis deals with the characterisation of GaN-based core-shell microwires grown by metalorganic vapor phase epitaxy on a silicon substrate, for the fabrication of micro-LEDs displays. The introductory chapter of this manuscript presents the display market, the current position of GaN micro-LEDs, the properties of GaN LEDs and the specificities of microwires. The second chapter is devoted to temperature-dependent cathodoluminescence (CL) and time-resolved cathodoluminescence (TRCL), which are used to characterize the wavelength emission uniformity and internal quantum efficiency between the bottom and the top of individual microwires, of samples having different active regions. A significant improvement in wavelength uniformity was observed by reducing the height of the microwires from 10 μm to 5 μm. In the third chapter, the doping profile and the width of the space charge region of p-n junctions are determined using capacitance-voltage (C-V) measurements performed on individual microwires. The implementation of this new experimental method allowed the optimization of the GaN epitaxy growth conditions to achieve the targeted doping profile. The position of the space charge zone was assessed by a combination of electron beam induced current (EBIC) measurement and scanning electron microscope (SEM) images. In the fourth chapter, electroluminescence (EL) measurements on individual microwires demonstrated electrical injection non-uniformities between the bottom and the top of the wires. An optimisation of the growth conditions allowed to significantly improve the injection homogeneity along the wires, resulting in an increase in the injection efficiency, as observed by means of electroluminescence measurements at variable temperature. Finally, the last chapter deals with the extraction efficiency, influenced by the wire height and the thickness of the layers, using electroluminescence measurements. This thesis is concluded by a last chapter which outlines the most critical points to come and new perspectives openened by this research work.