Alliage digital

Topic description 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 (< 10 %) et ne sont devenues commercialement disponibles que récemment. Surmonter cette limitation constitue un défi majeur en optoélectronique : obtenir une émission UV profonde efficace (– nm) permettrait de développer des applications bactéricides performantes, telles que la purification de l’eau, la stérilisation de surfaces ou l'élimination de virus. 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 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)?/(AlN)?, 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 nm à partir un alliage digital (GaN)?/(AlGaN)?, 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.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Context : Group-III nitride semiconductors (GaN, AlN, InN) are renowned for their outstanding light emission properties. For more than two decades, they have powered the blue and white LEDs used worldwide, thanks to highly efficient InGaN quantum wells (external quantum efficiency > 80%). In contrast, UV LEDs based on AlGaN quantum wells are still very inefficient (< 10%) and only recently became commercially available. Overcoming this limitation is a key challenge in optoelectronics: achieving efficient deep-UV emission (– nm) would enable high-performance bactericidal applications such as water purification, surface sterilization, and virus inactivation. Recently, two breakthrough concepts are promising to explore for UV-LEDs: 1. Deep-UV emission from GaN monolayers in AlN: Grow a few atomic monolayers (MLs) of GaN embedded in an AlN matrix. This extreme quantum confinement leads to deep-UV emission down to nm. High emission efficiency is expected due to strong exciton binding, stable even at room temperature 2. Enhanced doping using graded digital GaN/AlN alloys: Use graded digital alloys (GaN)?/(AlN)? where n and m are the number of atomic layers. This architecture enables efficient n- and especially p-type doping, which is a major bottleneck in AlGaN. GaN is much easier to dope than AlN, making this approach very promising for device fabrication. Scientific Targets : The aim is to master monolayer growth using MOVPE (metal-organic vapor phase epitaxy), the most industrially relevant technique : - M2 project: develop the growth of GaN monolayers on AlN substrates, study their deep-UV emission properties, and optimize growth conditions for self-limited single-layer deposition. - PhD continuation: design and fabricate doped digital GaN/AlN alloys to build the first efficient deep-UV LEDs based on this architecture. Lab background and collaboration: The group has long-standing expertise in visible and UV light emission from nitride nanowires. We have already demonstrated nm emission from (GaN)?/(AlGaN)? digital alloys, proving the viability of this approach. The project will be highly experimental (epitaxy, advanced structural and optical characterization) and conducted in close collaboration with Institut Néel for cathodoluminescence analysis and device processing. Why join this project ? Gain expertise in epitaxy, semiconductor physics, and optoelectronics. Work in a dynamic, collaborative environment with strong ties to industry. Contribute to the development of the next generation of deep-UV LEDs. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Pôle fr : Direction de la Recherche FondamentaleDépartement : Institut de Recherche Interdisciplinaire de GrenobleService : DEPHYDate de début souhaitée : 01-10-Ecole doctorale : Ecole Doctorale de Physique de Grenoble (EdPHYS)Directeur de thèse : DURAND ChristopheOrganisme : Grenoble-INPLaboratoire : DRF/IRIG/PHELIQS/NPSC Funding category Public/private mixed funding Funding further details