Croissance sélective de nano diodes électroluminescentes rouge-vert-bleu à l'aide d'un masque de graphène à motif spécifique // Selective area growth of Red-Green-Blue nano-light emitting diodes using a dedicated patterned graphene mask

Les micro-écrans couleurs avec un pas pixel inférieur à 10 µm sont nécessaire pour les applications de réalité virtuelle et augmentée. Pour l'approche à émission native, des sous-pixels Rouge-Vert-Bleu (RGB) pourraient être obtenus en utilisant des micro-LEDs à base d'InGaN intégrées de façon monolithique. Cependant, obtenir une émission rouges efficace avec l'alliage InGaN est un gros challenge. Nous avons récemment publier la croissance de puits quantiques InGaN/InGaN RGB de haute qualité optique épitaxiés sur des nanopyramides InGaN de diamètre inférieur à 1 µm par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques [https://doi.org/10.1038/s43246-024-00725-8]. Nous avons épitaxié ces nanopyramides par croissance nano-sélective en utilisant une couche de graphène/SiC épitaxiée et patternée in situ comme masque de croissance et en tirant parti de l'exceptionnel mobilité des adatomes sur la surface du graphène pendant la croissance. Les propriétés des émissions RGB obtenues à différents endroits sur l'échantillon sont dépendantes des dimensions et de la densité des nanopyramides InGaN. Des analyses corrélatives avancées menées sur la même nanopyramide ont révélés un coeur InGaN de concentration en In de 13% totalement ou au moins presque relaxée et des puits quantiques très réguliers émettant dans le rouge (620 nm) le long des flancs de la nanopyramide avec une concentration en In record de 40%.
C'est une approche très encourageante pour la réalisation de micro-LEDs RGB intégrées de façon monolithique pour les applications micro-écrans. Néanmoins, actuellement, le masque in situ a un pattern auto-assemblé. Pour être capable la position de chaque nanopyramide, un pattern organisé est nécessaire. De plus, le mécanisme précis de la formation des ouvertures initiales formées dans le graphène par traitement thermique n'est pas encore élucidé. Le but de la thèse sera, premièrement d'être capable de créer une couche de graphène patternée dédiée qui est compatible avec les mécanismes de croissance et avec le contrôle des dimensions et densité des ouvertures pour sélectionner localement la longueur d'onde d'émission sur le même échantillon, et deuxièmement, d'épitaxier des structures LEDs RGB sur des nanopyramides organisées en une seule croissance.
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Full color micro-displays with a pixel pitch of below 10 μm are needed for augmented and virtual reality applications. In the native emission approach, high efficiency Red-Green-Blue (RGB) subpixels could be achieved using monolithically integrated InGaN based micro-LEDs. However, realizing efficient red emission with the InGaN alloy is a big challenge. We reported recently the growth of high optical quality RGB InGaN/InGaN quantum wells grown on InGaN nanopyramids of diameter less than 1 μm by metal organic vapor phase epitaxy [https://doi.org/10.1038/s43246-024-00725-8]. We grew the nanopyramids by nanoselective area growth using an in situ patterned epitaxial graphene layer on SiC as an embedded mask and by taking advantage of the exceptional mobility of adatoms onto the graphene layer during growth. The RGB emission properties at different locations on the sample are dependent on the size and density of the InGaN nanopyramids. Advanced correlative analysis conducted on the same single nanopyramid reveal a fully or at least nearly relaxed InGaN core with an In content of 13% and very regular quantum wells emitting in the red range (620 nm) along the pyramid sidewalls with a record In content up to 40%.
This is a very promising approach for monolithically integrated RGB micro-LEDs for micro-display applications. Nevertheless, today, the in situ nanomask has a self-assembled pattern. To be able to control the position of each nanopyramid, an organized pattern is necessary. In addition, the precise mechanism of the formation of the initial holes made in the graphene layer by thermal treatment is not yet elucidated. The goal of this thesis is firstly to be able to create a dedicated patterned graphene layer that is compatible with the growth mechanism and with controlled hole size and densities to select locally the light emission wavelength on the same sample, and, secondly, to grow efficient RGB LED structures on organized nanopyramids in a single growth run.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours Labex

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Profil: Master 2 en physique, matériaux, nanosciences, ou équivalent. Une expérience en salle blanche est un plus. Compétences:  Connaissances solides en physique des matériaux semi-conducteurs  Expérience en techniques de dépôt de couches minces (CVD, MBE, etc.) appréciée  Maîtrise des outils de caractérisation : AFM, XRD, ellipsométrie, SEM, TEM, photoluminescence etc.  Bonne capacité d'analyse de données expérimentales  Compétences rédactionnelles et de présentation orale  Autonomie et rigueur  Curiosité scientifique et esprit critique  Capacité à travailler en équipe  Sens de l'organisation et gestion du temps
Profile: Master 2 in physics, materials, nanosciences, or equivalent. Cleanroom experience is a plus. Skills:  Solid knowledge of semiconductor materials physics  Experience in thin-film deposition techniques (CVD, MBE, etc.) appreciated.  Proficiency in characterization tools: AFM, XRD, ellipsometry, SEM, TEM, photoluminescence, etc.  Good experimental data analysis skills  Good writing and oral presentation skills  Autonomy and rigor  Scientific curiosity and critical thinking  Ability to work as part of a team  Organizational skills and time management