Vers la réalisation de pixels rouges basés sur des micro-domaines de nitrure d'éléments III

Toward red pixels based on III-nitrides elements micro-domains

• Auteur / Autrice : Elias Semlali
• Direction : Agnes Trassoudaine, Yamina Andre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Fondamentales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PHOTON - Photonique, Ondes, Nanomatériaux

Mots clés

Mots clés libres

Hvpe

Microdomaines III-N

Ternaire

Croissance sélective

Modèle cinétique

Hvpe

III-N microdomains

Ternary

Selective area growth

Kinetic modelling

Résumé

Les sources de lumière sur support flexible sont présentes dans de nombreuses applications. La technologie dominante est basée sur les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Ces dernières présentent des points faibles : luminance relativement basse et sensibilité au vieillissement. Comparativement, les LEDs à base de matériaux inorganiques (tels que les semiconducteurs III-V) sont plus brillantes et plus stables sur le long terme. En particulier, une filière qui permettrait la fabrication de micro-écrans (microdisplays) souples à partir de LEDs bleues, vertes et rouges en nitrures d'éléments III- alliages (In)Ga(Al)N- serait particulièrement attractive. Le projet de thèse vise à développer la brique de base la plus critique d'une telle filière : la réalisation d'une LED rouge à base de couches d'InGaN transférables sur substrat souple. Plusieurs défis sont à relever : - afin d'émettre dans le rouge, la concentration d'In des couches actives d'InGaN doit être assez élevée sans que cela ne génère un excès de défauts structuraux dans ces couches; - la structure active doit pouvoir être séparée de son substrat d'origine avec un procédé simple et peu coûteux. L'approche mise en oeuvre repose sur la croissance cristalline de microdomaines d'alliages III-N sur une surface structurée par lithographie électronique. La croissance initiale est faite sélectivement, soit dans les ouvertures d'un masque de SiNx déposé sur un « template » de GaN, soit sur des motifs de graphène déposé sur SiO2. Dans les deux cas, la surface de départ sera donc constituée de zones cristallines, d'un diamètre de quelques dizaines de nanomètres, entourées d'un matériau diélectrique. On utilise au mieux les caractéristiques de deux techniques de croissance cristalline, l'épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE) à l'Institut Pascal et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) au C2N, pour enchaîner les étapes suivantes : - l'extension latérale du germe de III-N jusqu'à l'obtention de domaines micrométriques, de taille comparable à celle d'une LED pour micro-displays ; - l'utilisation de ces micro-domaines comme micro-substrats pour la croissance d'une structure planaire à puits quantiques d'InGaN émettant dans le rouge. Ainsi, chacun de ces domaines pourra constituer un pixel rouge de micro-display.

Light sources on flexible support are present in many applications. The dominant technology is based on organic light-emitting diodes (OLED). The latter have weak points: relatively low luminance and sensitivity to aging. Comparatively, LEDs made from inorganic materials (such as III-V semiconductors) are brighter and more stable over the long term. In particular, a sector that requires the manufacture of flexible micro-screens (microdisplays) from blue, green and red LEDs in nitrides of III elements - alloys (In)Ga(Al)N- would be particularly attractive. The thesis project aims to develop the most critical building block of such a sector: the production of a red LED based on InGaN layers transferable onto a flexible substrate. Several challenges need to be addressed: - in order to emit in the red, the concentration of In of the active layers of InGaN must be high enough without this generating an excess of structural defects in these layers; - the active structure must be able to be separated from its original substrate with a simple and not very authorized process. The approach implemented is based on the crystal growth of microdomains of III-N alloys on a surface integrated by electronic lithography. The initial growth is done selectively, either in the openings of a SiNx mask deposited on a GaN “template”, or on graphene patterns deposited on SiO2. In both cases, the starting surface will therefore consist of crystalline zones, with a diameter of a few tens of nanometers, provided with a dielectric material. We make the best use of the characteristics of two crystal growth techniques, hydride vapor phase epitaxy (HVPE) at the Pascal Institute and molecular beam epitaxy (MBE) at C2N, to link the following steps: - the lateral extension of the III-N germ until micrometric domains are obtained, of a size comparable to that of an LED for micro-displays; - the use of these micro-domains as micro-substrates for the growth of a planar structure with quantum wells of InGaN emitting in the red. Thus, each of these domains could constitute a red micro-display pixel.