NanoFIls d'InGaN pour la réalisation de Diodes Electroluminescentes – FIDEL

Avec près de 20% de la consommation électrique mondiale consacré à l'éclairage, la mise en place d'une filière de sources lumineuses basses consommations est un enjeu économique majeur pour la maîtrise de l'émission des gaz à effet de serre. Selon les prévisions de l'OIDA (Optoelectronic Industry Development Association), la transition vers des systèmes à base de LEDs permettrait d'économiser environ 50% de l'énergie électrique consommée annuellement.
Pourtant, la pénétration des DELs (Diodes Electroluminescentes) comme sources d'éclairage reste assujettie à une baisse des coûts très significative (/10) et à une efficacité encore améliorée(x2).
Le projet FIDEL est centré sur l'étude de nanofils pour la réalisation de sources lumineuses de type DELs très efficaces énergétiquement, de faible coût de production. L’usage de structures de type nanofils devrait permettre de lever les différents verrous technologiques pour la réalisation de DELs efficaces compatibles avec les exigences du marché de l'éclairage en termes de performances et de coût.
1. La grande surface spécifique des fils permet une relaxation efficace des contraintes
-les nanofils peuvent croître sur des substrats de silicium de grande dimension.
-La teneur en indium au sein des couches constituant les nanofils peut être supérieure à celle des couches planaires; l'utilisation des nanofils doit permettre à terme de combler ce qui est communément appelé le "Green GAP".
2. Leur structure tridimensionnelle permet d'augmenter la surface émissive et donc la quantité de lumière pour une surface de puce donnée.
3. Le silicium est un excellent conducteur électrique et thermique (différent du saphir).
4. Le nanofil présente de bonnes qualités cristallines
5. L'utilisation des nanofils en structure cœur/coquille (hétérostructures selon les plans m) permettra d'éliminer ce que l'on appelle "l'effet Stark confiné quantique.
6. Réalisation de DELs blanches natives ou monolithiques sans phosphores
-Réduction des coûts
-Augmentation des performances par élimination du rendement de conversion
-Amélioration de la fiabilité des composants.
La mise en œuvre de cette voie en rupture est donc susceptible de permettre d’accélérer la baisse des coûts et d’améliorer l’efficacité énergétique des DELs.
Dans le cadre de ce projet, nous nous intéresserons principalement à la problématique du GREEN GAP en étudiant une architecture de nanofils innovante. L'objectif principal du projet est d'établir la variation du rendement d'émission lumineuse avec l'augmentation de la longueur d'onde dans le vert, le jaune, voire le rouge.
Ce projet s’appuiera au départ sur l’expérience acquise depuis plusieurs années au sein du CEA sur la croissance, la caractérisation et le procédé technologique de nanoDELs à base de matériaux nitrures d’éléments III avec notamment la réalisation de dispositifs électroluminescents à l'état de l'art mondial. Différentes techniques d’épitaxie seront testées: l'épitaxie par jets moléculaires, l'épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques et enfin de façon plus exploratoire, l'épitaxie en phase vapeur aux hydrures. Plusieurs moyens de caractérisations structurales, optiques et électriques, notamment des techniques spécifiques aux nanofils, notamment celles permettant de déterminer les propriétés de nanofils uniques sont d'ores et déjà disponibles au sein du consortium.
La mise en place de ces deux plateformes -croissance et caractérisation- est un des atouts majeur pour la bonne réussite du projet. Nous aurons à disposition au sein du consortium tous les moyens nécessaires pour réaliser les croissances et les caractériser. De plus, la valorisation des résultats est prévue au travers d'une start-up, HélioDEL en cours de création et qui est actuellement en incubation au CEA. Elle a pour but la fabrication industrielle et la commercialisation de nanoDELs pour le domaine de l’éclairage.