Thèse Alliages Digitaux GanN - AlnM pour la Réalisation de Led Capables d'Émettre dans l'Uv Profond H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS Direction de la thèse : Christophe DURAND ORCID 0000000250128411 Début de la thèse : 2026-10-05 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Contexte :
Les semiconducteurs nitrures du groupe III (GaN, AlN, InN) sont réputés pour leurs excellentes propriétés d'émission lumineuse. Depuis plus de deux décennies, ils sont à la base des LED bleues et blanches utilisées dans le monde entier, grâce à des puits quantiques InGaN très efficaces (rendement quantique externe > 80 %). En revanche, les LED UV basées sur des puits quantiques AlGaN restent très peu efficaces (
Récemment, deux concepts innovants se sont révélés particulièrement prometteurs pour les LED UV :
1. Émission UV profonde à partir de monocouches de GaN dans l'AlN : il s'agit de faire croître quelques monocouches atomiques (ML) de GaN insérées dans une matrice d'AlN. Ce confinement quantique extrême conduit à une émission dans l'UV profond, jusqu'à 220 nm. Une forte efficacité d'émission est attendue grâce à une liaison excitonique intense, stable même à température ambiante.
2. Amélioration du dopage à l'aide d'alliages numériques gradués GaN/AlN : cette approche consiste à utiliser un alliage digital (GaN)n/(AlN)m, où n et m représentent le nombre de couches atomiques. Cette architecture permet un dopage efficace de type n et surtout p, ce qui constitue un verrou technologique majeur dans les matériaux AlGaN. Le GaN étant beaucoup plus facile à doper que l'AlN, cette méthode s'avère très prometteuse pour la fabrication de dispositifs.

Objectifs scientifiques :
L'objectif est de maîtriser la croissance de monocouches par MOVPE (épitaxie en phase vapeur métal-organique), la technique la plus pertinente sur le plan industriel :
- Projet de M2 : développer la croissance de monocouches de GaN sur substrats d'AlN, étudier leurs propriétés d'émission dans l'UV profond et optimiser les conditions de croissance pour obtenir un dépôt auto-limitant d'une seule couche.
- Poursuite en thèse : concevoir et fabriquer des alliages digitaux dopés GaN/AlN afin de réaliser les premières LED UV profondes efficaces basées sur cette architecture.

Contexte du laboratoire et collaborations :
Le groupe dispose d'une longue expérience dans l'étude de l'émission lumineuse visible et UV à partir de nanofils de nitrures. Nous avons déjà démontré une émission à 280 nm à partir un alliage digital (GaN)n/(AlGaN)m, confirmant la faisabilité de cette approche. Le projet sera fortement expérimental (croissance épitaxiale, caractérisations structurales et optiques avancées) et mené en étroite collaboration avec l'Institut Néel pour l'analyse en cathodoluminescence et la fabrication de dispositifs.

Pourquoi rejoindre ce projet ?
Acquérez une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travaillez dans un environnement dynamique et collaboratif, en lien étroit avec le monde industriel. Contribuez au développement de la prochaine génération de LED émettant dans l'UV profond. Le développement de LED efficaces dans l'ultraviolet profond (220-280 nm) représente aujourd'hui un enjeu scientifique et industriel majeur. Ces dispositifs à base de nitrures du groupe III (GaN, AlN, InN et leurs alliages) ouvrent la voie à des applications à fort impact sociétal - purification de l'eau, désinfection de l'air et des surfaces, stérilisation médicale - tout en offrant une alternative durable aux lampes à mercure, désormais interdites dans de nombreux pays.

Cependant, malgré l'efficacité remarquable des LED bleues et blanches fondées sur les puits quantiques InGaN, les dispositifs émettant dans l'UV profond à base d'AlGaN ou de GaN/AlN sont particulièrement peu performants, avec des rendements quantiques externes inférieurs à 10 %, à cause entre autres des défauts dans les puits AlGaN et du faible dopage p de l'AlGaN pour des compositions riches en Al. Pour surmonter ces limitations, deux concepts ont émergé et semble particulièrement prometteurs :
1. L'émission UV profonde à partir de monocouches de GaN insérées dans une matrice AlN
2. Le dopage via des alliages digitaux GaN/AlN où chaque couche fait quelques monocouches d'épaisseur.

Ces approches exigent une maîtrise de la croissance, en étant capable de contrôler à la monocouche près les dépôts. Deux techniques peuvent prétendre à ce niveau de contrôle : la MBE (Molecular Beam Epitaxy) et la MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, ou MOVPE). Pourtant, si la MBE reste un outil de recherche fondamentale très performant, le développement de ce projet de thèse s'appuie sur la MOCVD, qui représente la méthode la plus pertinente technologiquement pour le développement des applications LED UV.

1. Intérêt de la MOCVD

La MOCVD est la technique de référence pour la croissance des nitrures du groupe III utilisés dans les dispositifs commerciaux (LED, lasers, transistors HEMT). Elle permet de reproduire fidèlement les conditions de fabrication industrielles. ELle utilise des pression modérée (quelques centaines de mbar) et des températures élevées (1000-1200 °C). À l'inverse, la MBE opère sous ultravide et à des températures plus basses (700-900 °C), ce qui modifie la cinétique de croissance, la morphologie de surface et la composition des interfaces. Si ces conditions favorisent un contrôle de la croissance couche par couche via l'observation in situ (par RHEED), cette technique reste peu utilisée par les industriels.

Dans le cadre de ce projet, dont l'objectif final est de réaliser des LED UV-C performantes, nous faisons le choix de travailler dès le départ avec la MOCVD, qui permet de développer des procédés directement transférables à l'industrie.

2. Auto-limitation de la croissance : un avantage spécifique de la MOCVD pour les monocouches

Un des enjeux majeurs du projet est la maîtrise de la croissance auto-limitante d'une monocouche de GaN dans une matrice AlN. L'objectif est d'obtenir une épaisseur strictement contrôlée, de l'ordre de 1-2 couches atomiques, sans formation d'îlots sur l'ensemble de la surface du substrat.

La MOCVD, lorsqu'elle est exploitée dans des conditions adaptées (fort flux d'ammoniac, et température élevée), présente un régime de croissance dit d'auto-limitation lié à la saturation de la surface d'adatomes de Ga et à la désorption des espèces excédentaires. Cela permet, dans certains cas, de déposer une seule couche stable, sans croissance continue. La MBE, bien que précise en théorie, ne bénéficie pas de ce mécanisme : le flux atomique constant entraîne souvent une croissance Frank-van der Merwe (couche par couche) ou Stranski-Krastanov (formation d'îlots), mais sans stabilisation automatique à une monocouche.

3. Contrôle du dopage et réalisation d'alliages digitaux GaN/AlN

Le deuxième axe du projet concerne le développement d'alliages digitaux gradués (GaN)?/(AlN)? où n et m représentent le nombre de couches atomiques pour améliorer le dopage, notamment du type p, dans les alliages AlGaN riches en Al. Cette architecture permet un dopage efficace de type n et surtout p, ce qui constitue un verrou technologique majeur dans les matériaux AlGaN. Le GaN étant beaucoup plus facile à doper que l'AlN, cette méthode s'avère très prometteuse pour la fabrication de dispositifs.

La MOCVD est généralement plus performante que la MBE pour le dopage des nitrures. Les concentrations de dopants atteignables en MBE sont souvent limitées pour former des couches p-type conductrices, alors que la MOCVD a permis d'obtenir des dispositifs AlGaN dopés p dans le domaine industriel. Pour la croissance des alliages digitaux, où la composition varie sur l'échelle atomique, la MOCVD permet d'alterner les dépôts de Ga et d'Al de manière contrôlée, tout en maintenant un bon dopage grâce à une concentration en porteur élevée dans les couches GaN.

4. Caractérisation systématique par photoluminescence dans l'UV-C profond et imagerie TEM

Grâce à l'acquisition d'un nouveau laser UV-200 nm installé en 2024 suite à un financement UGA/G-INP, il est désormais possible de caractériser des échantillons capables d'émettre des longueurs d'onde dans la gamme 200-250 nm, correspondant à l'UV-C profond. Ainsi, il sera possible de caractériser de manière systématique les échantillons en sorti du l'équipement d'épitaxie MOCVD pour développer la croissance en monocouche du GaN dans AlN.
Une collaboration avec le LEMMA est également envisagée pour compléter les études optiques par des observations par TEM pour étudier le nombre de monocouches, les interfaces et la composition.

5. Collaboration avec l'Institut Néel : caractérisations avancées et fabrication de dispositifs

Un atout majeur de ce projet réside dans la collaboration étroite avec l'Institut Néel (CNRS, Grenoble), qui apportera un soutien essentiel pour la caractérisation optique, électrique et la fabrication des dispositifs finaux.

Les mesures de cathodoluminescence réalisées à l'Institut Néel permettront de sonder finement les défauts de luminescence présents dans les structures GaN/AlN. Cette technique offre une résolution spatiale nanométrique et permettra de corréler la qualité optique locale avec les conditions de croissance, les épaisseurs de monocouches et les interfaces obtenues par MOCVD. Ces analyses sont cruciales pour identifier les mécanismes de recombinaison non radiative qui limitent l'efficacité des LED UV.

Par ailleurs, des mesures de Hall seront effectuées pour caractériser quantitativement le dopage de type n et p dans les alliages digitaux GaN/AlN. Ces tests permettront de déterminer la concentration de porteurs libres, leur mobilité et le type de conduction, fournissant ainsi des informations clés pour optimiser les procédés de dopage et valider l'efficacité des stratégies d'incorporation développées en MOCVD.

Enfin, la fabrication des LED sera réalisée dans la salle blanche de l'Institut Néel, qui dispose de tous les équipements nécessaires : lithographie optique et électronique, dépôts métalliques, et gravure sèche (RIE/ICP). Cette infrastructure permettra de transformer les couches épitaxiées en dispositifs complets et de tester leurs performances électriques et optiques.

Cette collaboration assure donc une chaîne complète, de la croissance à la caractérisation et à la fabrication des LED, garantissant une compréhension intégrée du matériau et du dispositif. L'association de l'épitaxie par MOCVD à PHELIQS et des compétences de l'Institut Néel en caractérisation et microfabrication constitue un environnement idéal pour mener à bien ce projet ambitieux.

En conclusion, En conclusion, la MOCVD offre un mécanisme d'auto-limitation favorable à la réalisation de monocouches GaN/AlN stables, un contrôle fin du dopage et de la composition, essentiel pour les alliages digitaux et une transférabilité vers l'industrie. La collaboration avec l'Institut Néel assure une chaîne complète croissance - caractérisation - fabrication des dispositifs.

Niveau Master 2 en matériaux, nanosciences et micro/optoélectronique.