Fils Core-shell InGaN / GaN pour LED flexibles

Core-shell InGaN/GaN wires for flexible LEDs

• Auteur / Autrice : Akanksha Kapoor
• Direction : Joël Eymery, Christophe Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 04/06/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Baron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Trassoudaine, Benjamin Damilano, Maria Tchernycheva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter James Parbrook, Jean-Paul Salvestrini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Semiconducteurs à large bande interdite

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Mots clés libres

InGaN/GaN

Émission verte

Dispositifs flexibles

Phosphores

InGaN/GaN

Green emission

Flexible devices

Phosphors

Résumé

Les hétérostructures planaires à base de puits quantiques InGaN/GaN sont désormais largement utilisées dans les diodes électroluminescentes (LED). Les LED bleues et les LED blanches à phosphores sont largement commercialisées avec des rendements d’émission de lumière très élevés. Néanmoins, il reste encore des problèmes à résoudre avec ce type de dispositifs : l’émission à plus grande longueur d'onde (rouge) avec de bonnes efficacités, le problème du la chute du rendement à forte puissance (« droop efficiency ») et l’amélioration de l’extraction de la lumière. Ce travail de thèse présente l'utilisation de fils GaN ayant une hétérostructure radiale InGaN/GaN qui peut s’avérer un choix intéressant pour le développement de nouvelles LED visibles grâce à plusieurs avantages-clés : un encombrement réduit, un rapport d'aspect élevé et une grande qualité cristalline avec de faible densité de défauts. Les fils permettent également de fabriquer des LED flexibles intéressantes pour de nouvelles applications comme les écrans enroulables, les dispositifs médicaux de petite taille et flexibles, etc. Ce travail est consacré à une étude complète qui part de la croissance auto-assemblée de fils à hétérostructures InGaN/GaN radiale plan-m par la méthode d’épitaxie en phase vapeur d’organiques métalliques, jusqu’à l’intégration des fils dans des dispositifs flexibles, en étudiant en particulier des hétérostructures émettant dans le vert. L'influence d'une sous-couche InGaN et d'un espaceur GaN est spécifiquement étudiée pour améliorer l'efficacité d’émission d'un puits quantique (PQ) unique émettant dans le bleu. On constate que la présence de l’espaceur GaN est nécessaire pour obtenir une émission efficace du PQ dans le plan-m des fils de GaN, alors qu'aucun changement n'est observé en ajoutant une sous-couche d’InGaN. De plus, des LED flexibles avec différentes longueurs d'onde telles que l'émission bleue, verte et bicolore ont été réalisées en ajustant la teneur en indium à l'intérieur des hétérostructures à puits quantiques InGaN/GaN. Cette étude approfondie corrèlent les propriétés structurelles, optiques et électriques. L'utilisation de la croissance sélective est également abordée pour essayer d’améliorer les performances des LED flexibles à nanofils mais la maitrise de la reproductibilité reste difficile à contrôler. Pour obtenir un dispositif LED flexible émettant une lumière blanche, une étude d'optimisation des phosphores combinés à la LED bleue a également été réalisée.

The InGaN/GaN-based planar heterostructures are now widely used to produce light emitting diodes (LEDs). The blue LEDs and phosphor-converted white LEDs are already commercialized with high efficiencies. But further scope to reach long wavelength emission with improved efficiencies and mitigating issues likes efficiency droop and poor light extraction still remains. This Ph.D. thesis presents the use of core-shell InGaN/GaN wires as an attractive choice for visible LEDs thanks to their smaller footprint, high aspect ratio and low defect density. The bendable wires also allow fabricating LEDs with flexibility in view of rapidly growing demands for rollable displays, wearable devices, flexible biomedical instruments, etc. This work focuses on a complete study, beginning from the self-assembled growth of m-plane core-shell InGaN/GaN wires by metal organic vapor phase epitaxy to their integration in working devices on flexible substrates, especially on original green-emitting heterostructures. The influence of an InGaN under layer (UL) and GaN-spacer is investigated to improve the efficiency of a blue single quantum well. It is found that the presence of a GaN spacer is required to achieve efficient m-plane emission from core-shell wires, while no internal quantum efficiency change is observed by adding an InGaN UL. Further, flexible LEDs with different wavelengths such as blue, green and dual-color emission have been realized by tuning the indium content inside InGaN/GaN multiple quantum well heterostructures followed by a comprehensive study correlating structural, optical and electrical properties. The use of selective area growth is also approached to address the issues encountered in device emission and remaining challenges in the reproducibility control are discussed. To target white light emission, an optimization study of yellow phosphors combined with the well-established blue LED has also been performed.