4 sujets /PHELIQS/NPSC

Dernière mise à jour : 17-09-2019


 

Réalisation de diodes électroluminescentes à nanofils par épitaxie par jets moléculaires

SL-DRF-19-0805

Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire de Nano Physique des Semi-Conducteurs (NPSC)

Grenoble

Contact :

Bruno DAUDIN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-04-2019

Contact :

Bruno DAUDIN

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

04 38 78 37 50

Directeur de thèse :

Bruno DAUDIN

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

04 38 78 37 50

Les matériaux nitrures d’éléments III (GaN, InN, AlN et leurs alliages) sont à l’origine d’une révolution de l’éclairage visible qui voit les lampes à incandescence traditionnelles être remplacées par des diodes électroluminescentes (LEDs) pour de nombreuses applications de la vie courante. Plus récemment un intérêt grandissant pour la réalisation de micro-LEDs pouvant émettre dans le Rouge, le Bleu et le Vert (RGB) est apparu pour les applications d’affichage et d’écran. En particulier une forte demande sur des structures de taille inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des LEDs classiques se fait jour. Le sujet de thèse portera sur la croissance épitaxiale de ces structures LEDs « RBG » et la compréhension physique des comportements du dispositif.

Pour des raisons fondamentales tenant à la physique de ces matériaux, l’efficacité optique des LEDs décroît avec l’accroissement de la longueur d’onde, conduisant à ce qu’il est de coutume d’appeler le « green gap » qui se traduit par une faible efficacité des LEDs planaires dans le vert et, plus encore dans le rouge. En effet, l’augmentation de la longueur d’onde implique l’élaboration de puits quantiques à teneur de plus en plus élevée en In, présentant un désaccord de maille croissant avec les barrières de GaN. Il en résulte la formation de dislocations dont la densité croît avec la longueur d’onde. En outre, la structure wurtzite n’étant pas centrosymétrique, ce désaccord de maille croissant se traduit par la présence dans les puits quantiques d’un champ électrique d’origine piézo-électrique de plus en plus important. Ce champ combiné à celui résultant de la différence de polarisation spontanée entre le GaN et l’InGaN conduit à une perte d’efficacité de recombinaison radiative des porteurs de plus en plus marquée avec l’augmentation de la longueur d’onde.

Les nanofils élaborés par épitaxie par jets moléculaires (MBE) constituent une solution originale pour la réalisation d’hétérostructures axiales permettant de réduire les inconvénients ci-dessus mentionnés : la morphologie des nanofils, soit leur grand rapport d’aspect (hauteur/diamètre), leur importante surface libre par rapport au volume, la solubilité limite des dopants plus élevée que dans les couches planaires permet en effet de réaliser des hétérostructures GaN/InGaN à forte concentration d’In tout en minimisant la production de défauts structuraux et l’intensité du champ électrique interne.

Le sujet de thèse portera sur le développement de telles structures LEDs élaborées par MBE, avec l’objectif d’optimiser l’émission lumineuse dans le vert et le rouge, en partenariat étroit avec l’entreprise Aledia. Les conditions d’injection de courant et leur effet sur l’intensité de l’électroluminescence seront analysés et optimisés avec l’objectif d’identifier et d’éliminer les courants de fuite et autres sources de perte d’efficacité radiative. L’évaluation et la suppression des recombinaisons de surface, correspondant aux fuites des porteurs générés dans la zone active et qui, à ce jour, sont la principale limitation de performance des micro-LEDs à base de structures 2D, feront l’objet d’une particulière attention. De plus les conditions de croissance et de réalisation des hétérostructures, en particulier les transitions entre les différents alliages les constituant, seront étudiées afin de supprimer la génération de défauts, principalement structuraux, aux interfaces. Enfin, dans la mesure où la réalisation de LEDs efficaces impose d’élaborer des hétérostructures filaires de polarité maitrisée, une étude consistera à examiner les conditions de conversion d’un substrat à polarité mélangée en un substrat de polarité unique permettant d’élaborer les hétérostructures filaires désirées.

Le sujet convient à un(e) étudiant(e) possédant un master 2 Nanosciences, nanophysique ou équivalent. Le candidat devra posséder un fort goût pour la science expérimentale et sera amené, outre la croissance des échantillons par MBE à les analyser par microscopie électronique à balayage, spectrocopie optique etc… Le candidat devra pouvoir s’intégrer dans une équipe et faire preuve d’autonomie tout en ayant une bonne interaction avec les nombreux acteurs du projet, du côté académique comme du côté industriel.

Développement de nanostructures à base d'AlGaN pour la fabrication lasers UV à pompage électronique

SL-DRF-19-0240

Domaine de recherche : Electronique et microélectronique - Optoélectronique
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire de Nano Physique des Semi-Conducteurs (NPSC)

Grenoble

Contact :

Eva MONROY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2019

Contact :

Eva MONROY

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

0438789068

Directeur de thèse :

Eva MONROY

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

0438789068

Page perso : http://inac.cea.fr/Pisp/100/eva.monroy.html

Voir aussi : http://inac.cea.fr/en/Phocea/Page/index.php?id=241

Les nitrures III (GaN, AlN, InN et leurs alliages ternaires) sont des semi-conducteurs à large bande interdite, particulièrement intéressants pour l'opto et la microélectronique. Cette famille de matériaux a connu un développement mondial extraordinaire, donnant naissance à une nouvelle génération de dispositifs émetteurs de lumière, diodes laser, photodétecteurs et composants électroniques de puissance. Le laboratoire «Nanophysique et Semi-conducteurs» du CEA-Grenoble est un centre de R&D de renommée internationale dans le domaine des semi-conducteurs de nitrure III. Ce laboratoire est impliqué dans un certain nombre de projets nationaux et internationaux visant à appliquer les nanostructures III-N au développement de dispositifs innovants.



Il existe une forte demande pour les lasers à ultraviolets profonds destinés à des applications telles que la télédétection Lidar, la communication hors de la ligne de mire, la détection chimio-chimique, l’impression 3D, etc. Cette plage spectrale est actuellement couverte par des lasers à gaz ou des lasers basés sur la conversion de fréquence, qui sont volumineux, inefficaces et inflexibles en longueur d'onde. Les diodes laser à base d’AlGaN devraient offrir une solution alternative, mais leur mise en œuvre est ralentie par la difficulté à fabriquer des couches de revêtement hautement conductrices en p-AlGaN.



L'objectif de ce projet de thèse est de développer une nouvelle technologie laser UV compacte basée sur l'excitation de nanostructures d'AlGaN par un faisceau d'électrons provenant d'une cathode à nanotube de carbone. Nous ciblons les dispositifs quasi-continues, refroidis par effet Peltier, émettant à 350 nm et 265 nm, avec une puissance de sortie> 500 mW. Le choix des longueurs d'onde vise une comparaison directe avec la technologie Nd-YAG. Cependant, le principe de fonctionnement permet de sélectionner la longueur d’onde d’émission par conception, sans dégradation de l’efficacité dans la plage de 350-250 nm.



L'étudiant rejoindra l'équipe de recherche travaillant sur les nanostructures de nitrure III. Les structures des dispositifs seront conçues et synthétisées en laboratoire et l’étudiant participera à leur caractérisation structurelle et optique. Il/elle sera formé(e) à l'utilisation de l'épitaxie par jet moléculaire, de la photoluminescence, de la cathodoluminescence et de la modélisation de la structure électronique à l'aide du logiciel commercial Nextnano. Il/elle participera à la fabrication du dispositif dans les salles blanches de la PTA (http://pta-grenoble.com/).

Développement de nanostructures à base d’AlGaN pour la fabrication de composants émetteurs de lumière UV à pompage électronique

SL-DRF-19-0241

Domaine de recherche : Electronique et microélectronique - Optoélectronique
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire de Nano Physique des Semi-Conducteurs (NPSC)

Grenoble

Contact :

Eva MONROY

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-01-2019

Contact :

Eva MONROY

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

0438789068

Directeur de thèse :

Eva MONROY

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

0438789068

Page perso : http://inac.cea.fr/Pisp/100/eva.monroy.html

Voir aussi : http://inac.cea.fr/en/Phocea/Page/index.php?id=241

L'Institut Nanosciences et Cryogénie (INAC) du CEA ouvre un poste de doctorat à un jeune scientifique afin de développer un programme de recherche sur les nanostructures d'AlGaN pour la fabrication d'un nouveau concept de lampe UV.



Notre projet contribue au développement de lampes UV à haute brillance, sans mercure, 100% recyclables et très brillantes. La désinfection par rayons UV est généralement effectuée à l'aide de lampes à décharge contenant de grandes quantités de mercure, une substance hautement toxique strictement réglementée par les directives de l'UE. L’alternative actuellement explorée consiste en des diodes électroluminescentes UV (LED UV) basées sur des semi-conducteurs AlGaN. Cependant, après plus de 15 ans de R & D, la technologie des LED UV progresse très lentement et des études comparatives montrent qu’elle est encore loin de rivaliser avec la lampe au mercure. Les performances des LED UV restent limitées par deux problèmes majeurs: la forte énergie d'activation des dopants dans l'AlGaN et la longueur de diffusion des trous de ces matériaux, extrêmement inférieure à celle des électrons. Pour contourner les problèmes associés à la technologie UV LED, nous proposons de pomper une région active à base de nanostructures AlGaN avec un faisceau d'électrons. Dans une telle configuration, des électrons et des trous sont générés dans tout le milieu actif avec la même distribution spatiale, sans besoin de dopage ni de contacts électriques. Dans le cadre de ce projet, l’étudiant sera responsable de (i) la fabrication de nanofils à base d’AlGaN émettant dans les gammes UV-B et UV-C, (ii) de la structuration optique et structurelle, (iii) de la comparaison des résultats avec les résultats théoriques. calculs utilisant un logiciel commercial, et (iv) comparaison des performances de telles structures à nanofils avec des puits quantiques et des points quantiques (disponibles dans notre laboratoire). Le stagiaire sera formé à l’utilisation de l’épitaxie par jet moléculaire, de la microscopie électronique à balayage, de la photoluminescence, de la cathodoluminescence et de la modélisation de la structure électronique à l’aide du logiciel commercial Nextnano.

Réalisation de diodes électroluminescentes à base de nanofils d’AlN pour l’émission UV C

SL-DRF-19-0374

Domaine de recherche : Physique du solide, surfaces et interfaces
Laboratoire d'accueil :

Photonique, Electronique et Ingénierie Quantiques (PHELIQS)

Laboratoire de Nano Physique des Semi-Conducteurs (NPSC)

Grenoble

Contact :

Bruno GAYRAL

Bruno DAUDIN

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Bruno GAYRAL

CEA - DSM/INAC/SP2M/NPSC

0438782673

Directeur de thèse :

Bruno DAUDIN

CEA - DRF/INAC/PHELIQS/NPSC

04 38 78 37 50

La convention de Minamata a pris effet le 16 août 2017, avec l’objectif de bannir progressivement l’usage du mercure et des dispositifs utilisant du mercure. Ceci concerne directement les lampes à mercure qui constituent la principale source de rayonnement UV pour une large gamme d’applications telles que l’assainissement de l’air et de l’eau, certaines applications médicales dont le traitement du psoriasis etc…. Les besoins croissants en ce domaine devraient soutenir l’émergence à la fois d’un marché en rapide expansion et d’une activité de recherche soutenue pour la mise au point de sources sûres et « vertes » de radiation UV dans la gamme 260-280 nm.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) à base d’AlGaN présentent les caractéristiques idéales pour remplir cette fonction dans la gamme de l’UV B (320-280 nm) ainsi que dans une large fraction de l’UV C (280-200 nm). Cependant, l’excellente efficacité quantique externe (EQE) des LEDs dans le proche UV et dans le visible se dégrade rapidement pour des longueurs d’onde inférieures à 365 nm. Ainsi les meilleures LEDs actuellement disponibles dans l’UV B et l’UV C présentent une EQE de l’ordre de 10%. Au nombre des facteurs limitant, on notera la grande densité de défauts structuraux étendus, les limitations du dopage électrique et de l’extraction de lumière.

Ces limitations peuvent être surmontées dans une très large mesure par l’utilisation de nanofils. De fait, l’absence de défauts étendus dans les nanofils, une solubilité limite des dopants électriques plus élevée que dans les couches et une morphologie favorable à l’extraction de lumière les rendent particulièrement pertinents pour la réalisation de LEDs efficaces dans l’UV C. Le groupe du CEA-INAC en collaboration avec l’Institut Néel (CNRS) a ainsi pu démontrer récemment la réalisation d’une LED à base de nanofils d’AlN sur la base du fort dopage de type p obtenu par codopage avec de l’Indium et qui constitue une première mondiale ouvrant la voie à un nouveau concept de LEDs pour l’UV.

L’objectif de la thèse sera d’amplifier les résultats préliminaires obtenus et de réaliser un démonstrateur pré-industriel optimisé. La croissance des hétérostructures filaires sera réalisée par épitaxie par jets moléculaires au laboratoire CEA-Grenoble INAC/PHELIQS-NPSC qui étudiera également leurs propriétés structurales et optiques. Une collaboration avec l’Institut Néel permettra la caractérisation électrique des dispositifs dont le process ainsi que les mesures d’électroluminescence et de rendement seront assurées en aval par le CEA-LETI DOPT, les différents partenaires étant intégrés dans une boucle de « feedback » pour faciliter l’optimisation des dispositifs.



Le candidat devra avoir un master 2, spécialité Nanosciences ou équivalent, et présenter un goût marqué pour la physique expérimentale, la croissance de matériau et la caractérisation.



• Electronique et microélectronique - Optoélectronique

• Physique du solide, surfaces et interfaces

 

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