Flexible nanowire light emitting diodes
Diodes électroluminescentes flexibles à base de nanofils
Résumé
Flexible devices have boomed in the last decade, motivated by promises of new applications. Among these applications, consumer products can be noted, such as smart textiles and flexible screens, but also medical products, such as so called “on-skin” sensors or devices such as optogenetic cochlear implants.Regarding LEDs, some processes have allowed to build operating flexible devices, hence demonstrating the feasibility of the project. These devices are made through the encapsulation of InGaN/GaN nanowire structures in an elastomer matrix, giving to the device the mechanical properties of the latter, while enabling light emission. The structures are then ripped from the substrate, through a process called the “peel off”. In these firsthand reports, it was chosen to work with a so called self-assembled growth process for nanowire fabrication. This approach yields structures with important lengths and a random distribution, which is an advantage for encapsulation of the device. However, this advantageous geometry comes at the cost of the homogeneity of the properties of the nanowires, meaning that the wavelength and intensities are not constant on the whole device.In this PhD, the goal that was set is to fabricate similar devices, but instead using nanowires grown through selective area growth. This method allows to control the position of the structure and ensures high homogeneity of properties. However, the dimension and close spacing of the structures introduce a new issue compared to the previous devices, particularly for encapsulation.Four areas of work were defined in this project:- First, a study of the growth process of the nanowires was conducted. This study aims to precise the knowledge regarding vertical growth of Si-doped n-GaN.-Second, the knowledge acquired in the first study is used to optimize the growth of the shell, which contains the active InGaN/GaN heterostructure as well as the p-GaN layer.- These two studies allow to optimize each step of the fabrication of the structure, and it was therefore decided to use the obtained samples for the elaboration of flexible devices through encapsulation and peel off. Optimization of the process and characterization of the performances of the obtained device were carried and detailed in this manuscript.- Last, an investigation of the growth of InGaN/GaN structures was realized on 2D substrates, in the present case on graphene. This innovative growth mode allows to work without covalent bonding between the substrate and the epitaxial material, which hinders the peel off.Following these work areas, we hope to provide the reader with a general understanding of the methods and problems linked to the growth of InGaN/GaN nanowire structures, of the challenges linked to the fabrication of flexible devices, and of the alternative approaches used as early as the growth stage to avoid these issues.
Les dispositifs flexibles ont connu un essor durant la dernière décennie, justifié par la promesse de nouvelles applications. Parmi ses applications, on retrouve des produits de consommation pour particuliers, tels que des textiles intelligents et écrans flexibles, mais également des produits médicaux, tels que les capteurs dits « sur-peau » ou certains autres dispositifs tels que des implants cochléaires optogénétiques.En ce qui concerne les LEDs, certains procédés ont permis d'aboutir à la construction de dispositifs flexibles fonctionnels, prouvant ainsi la faisabilité du projet. Ces dispositifs sont produits par encapsulation de structures InGaN/GaN à nanofils dans une matrice élastomère, conférant au dispositif les propriétés mécaniques de cette dernière, tout en rendant possible l'émission lumineuse. Les structures sont alors arrachées de leur substrat lors du procédé dit du « peel off ». Dans ces premières études, il a été choisi d'utiliser un procédé de croissance dit autoorganisé pour la fabrication des nanofils. Cette approche permet d'obtenir des structures de grande taille avec une distribution aléatoire, ce qui est avantageux pour l'encapsulation du dispositif. En revanche, cette géométrie avantageuse est obtenue au prix de l'homogénéité des propriétés des nanofils, ce qui signifie que la longueur d'onde d'émission ainsi que l'intensité lumineuse ne sont pas constantes sur la surface du dispositif.Dans ce doctorat, il a été fixé pour but de réaliser des dispositifs similaires, mais en utilisant des nanofils crus par croissance dite sélective. Cette approche permet de contrôler le positionnement des structures ainsi que d'assurer une grande homogénéité des propriétés. En revanche les dimensions et le positionnement rapproché des structures les unes des autres introduisent des nouvelles problématiques par rapport aux précédents dispositifs, notamment pour l'encapsulation.Quatre axes de travails ont été choisis dans ce projet :-Dans un premier temps, une étude du procédé de croissance des nanofils a été réalisée. Cette étude vise à préciser les connaissances concernant la croissance verticale de structures n-GaN par dopage Si.-Dans un second temps, les connaissances acquises durant cette étude ont été mises à profit pour optimiser la croissance de la coquille, contenant l'hétérostructure active InGaN/GaN ainsi que la couche p-GaN.-Ces deux études permettant d'optimiser les différentes étapes de la réalisation des structures, il a été choisi ensuite d'utiliser les structures obtenues pour la réalisation de dispositifs flexibles par encapsulation et peel off. L'optimisation du procédé et la mesure de performance des dispositifs obtenus ont été menées à bien et sont détaillées dans ce manuscrit.-Dans un dernier temps, une étude de la croissance de structures InGaN/GaN a été réalisée sur substrat 2D, particulièrement ici sur graphène. Ce mode de croissance innovant permet de s'affranchir des liaisons covalentes entre le substrat et les matériaux épitaxiés, qui représentent typiquement un obstacle lors de l'étape de peel off.A la suite de ces différents axes de travail, nous espérons fournir au lecteur une compréhension générale des méthodes et problématiques liées à la croissance de structures InGaN/GaN à nanofils, des défis liés à la fabrication de dispositifs flexibles, et de certaines des approches mises en place dès l'étape de croissance pour contourner ces défis.
Origine : Version validée par le jury (STAR)