Étude et optimisation de l’émission et de l’extraction de lumière des nanofils semiconducteurs grand gap : application à des dispositifs électroluminescents

Study of emission from semiconductor nanowires arrays and application to light emitting devices

• Auteur / Autrice : Anne-Line Henneghien
• Direction : Jean-Michel Gérard, Yohan Desières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Taha Benyattou, Kuntheak Kheng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Lérondel, Hervé Rigneault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanofils semiconducteurs

Gan

ZnO

Diode électroluminescente

Cristal photonique

Résumé

Les diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ou blanches actuelles sont constituées de couches épitaxiales planaires, essentiellement à base de GaN. Sans autres opérations technologiques, la réflexion totale interne aux interfaces réduit le nombre de photons extraits à quelques pourcents du nombre de photons émis. Cette thèse s'intéresse à un concept en rupture : les LEDs à nanofils GaN ou ZnO. Plus précisément elle vise à préciser l'intérêt de ces couches pour l'augmentation du rendement d'extraction. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à trois types de couches (taille des fils, arrangement), chacune mettant en jeu un processus d'extraction différent. La première géométrie, basée sur des fils relativement gros (rayons 50-lOOnm minimum) et distants vise à profiter des résonances ou du guidage optique pouvant exister au sein de chaque fil pour canaliser l'émission spontanée. Les coefficients de couplage de la couche active sur ces modes ainsi que la réflectivité des modes guidés en bout de fils ont notamment été évalué numériquement en fonction de la taille des fils. La seconde approche, issue de l'étude goniométrique de couches de fils MBE sur substrat Silicium, vise à profiter des propriétés d'indice effectif des couches de fils sublongueurs d'onde pour éviter le phénomène de réflexion totale à l'origine des faibles rendements d'extraction des couches planaires. Le modèle anisotrope numérique développé montre qu'un rendement d'extraction proche de 70% est envisageable sur ce type de couche épitaxiée sur Silicium. Enfin la troisième approche, plus prospective, vise à initier une étude sur l'émission dans des réseaux de fils agencés périodiquement.

The current blue or white light-emitting diodes (LEDs) are constituted by planar layers of GaN. The use of the nanowires as active layer is a hard and new concept which brings numerous potential advantages and revolutionizes the rules of LED design. This thesis deals with the light emission and extraction of nanowire structures made of wide band gap semi-conductors such as GaN or ZnO. The issue is to understand and to optimize the processes of extraction with the aim of a LED use. We were more particularly interested in three nanowire organizations attractive for the extraction. The first concept concerns nanowires which are enough separated to be considered as isolated. The emission properties of these structures are mainly controlled by the competition between localized resonance (whispering gallery modes) and guided modes which channel and propagate the spontaneous emission towards the nanowires ends. Our second contribution concerns the study of ensembles of small dense nanowires. Goniometry experiments on GaN nanowires made by MBE put in evidence the interest of a nanowires modelling by an effective anisotropic medium. The simulations of the extraction of these devices on silicon substrate are very promising for the creation of efficient and low cost LEDs. Perspectives on nanowires use in periodic organized array so as to realize a photonic crystal are the third part of the thesis. A numerical model allowed suggesting rules of arrays design