Diodes électroluminescentes flexibles à base de GaN sur graphène

Flexible LEDs based on GaN on graphene

• Auteur / Autrice : Dyhia Tamsaout
• Direction : Jean-Christophe Harmand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Dispositif flexible

Led

Graphène

Epitaxie

Nitrures d'éléments III

Flexible device

Epitaxy

III-nitrides

Led

Graphene

Résumé

Les sources lumineuses sur support souple sont utilisées dans de nombreuses applications. La technologie dominante est basée sur les diodes électroluminescentes organiques (OLED). Celles-ci présentent des faiblesses : luminance relativement faible et sensibilité au vieillissement. En comparaison, les LEDs basées sur des matériaux inorganiques (tels que les semi-conducteurs III-V) sont plus lumineuses et plus stables à long terme. Nous voulons développer un procédé original permettant la fabrication de micro-écrans flexibles à partir de LEDs bleues, vertes et rouges constituées d'alliages de nitrures (In)Ga(Al)N réalisés sur du graphène. L'approche proposée est basée sur la croissance cristalline de micro-domaines III-N sur une surface de graphène structurée par lithographie électronique. Elle s'appuie sur ce que l'on appelle communément l'épitaxie de van der Waals. Le doctorant optimisera l'étape initiale de croissance de GaN par épitaxie par jets moléculaire (MBE), réalisée sélectivement sur du graphène nanostructuré. Il/elle obtiendra des germes de GaN qui serviront à développer (dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe PHELIQS du CEA-Grenoble) par croissance latérale, des micro-domaines de GaN organisés, transférables et de haute qualité cristalline. Ensuite, il/elle utilisera ces micro-domaines pour la croissance et la fabrication de micro-LEDs flexibles. Nous étendrons cette stratégie aux micro-domaines InGaN pour les LEDs rouges. Les avantages attendus de cette approche sont les suivants : - Utilisation d'un substrat ultimement mince et compliant (graphène nano-structuré), - Croissance latérale sans masque, produisant des domaines de GaN isolés sans coalescence, - Micro-domaines de GaN entièrement exempts de défauts étendus d'un diamètre allant jusqu'à 50 µm, qualité cristalline supérieure à celle de l'état de l'art, - Taille des micro-LEDs définie au stade de la croissance, pas d'endommagement par gravure et donc une meilleure efficacité des micro-LEDs, - Utilisation d'un substrat porteur amorphe SiO2, interagissant faiblement avec la couche de graphène : meilleure compliance, détachement facile et transférabilité des micro-LEDs GaN de ce support vers un substrat hôte flexible. Le doctorant aura également en charge la caractérisation complète des propriétés structurelles et optiques des micro-LEDs et l'optimisation du processus de transfert.

Light sources on flexible supports are used in many applications. The dominant technology is based on organic light-emitting diodes (OLEDs). These have weaknesses: relatively low luminance and sensitivity to ageing. In comparison, LEDs based on inorganic materials (such as III-V semiconductors) are brighter and more stable in the long term. We want to develop an original process that allows the manufacture of flexible micro-displays from blue, green and red LEDs made of nitrides (In)Ga(Al)N-alloys grown on graphene. The proposed approach is based on the crystal growth of III-N micro-domains on a graphene surface patterned by e-beam lithography. It relies on what is commonly known as van der Waals epitaxy. The PhD will optimize the initial GaN growth stage by molecular beam epitaxy (MBE), performed selectively on nano-structured graphene. She/he will obtain GaN germs, which will serve to develop organized and transferable GaN micro-templates of high crystalline quality by lateral growth (in the frame of a collaboration with PHELIQS team in CEA-Grenoble). Then, she/he will use these templates for the growth and fabrication of flexible micro-LEDs. We will extend this strategy to InGaN micro-templates for red LEDs. The expected advantages of this approach are the following: - Use of an ultimately thin and compliant substrate (nano-patterned graphene), - Lateral overgrowth without mask, producing isolated GaN domains without coalescence, - GaN micro-domains entirely free of extended defects with a diameter up to 50 µm, crystalline quality superior to that currently reported, - Micro-LED size defined at the growth stage, no etching damage and thus better micro-LED efficiency, - Use of amorphous SiO2 carrier substrate, weakly interacting with the graphene layer: better compliance, easy detachment and transferability of the GaN micro-LEDs from this support to a flexible host substrate. The PhD will also have in charge the complete characterization of the structural and optical properties of the micro-LEDs and the optimization of the transfer process.