Diodes Electroluminescentes à Nanofils GaN sur Substrat Métallique – MetalliGaN

Sachant que l’éclairage public et domestique représente 20% de la consommation électrique totale, la promotion des systèmes d’éclairage efficaces énergétiquement devient cruciale. L’utilisation généralisée de diodes électroluminescentes (DEL) est considérée comme la meilleure des solutions pour résoudre rapidement ce problème environnemental et économique. Si la qualité des DELs a fortement progressé ces dernières années, des solutions pérennes manquent encore pour répondre aux problèmes de leur coût trop important et de leur efficacité encore limitée pour ce type d’application. Ceci nécessite des ruptures technologiques qui permettront une industrialisation rapide pour une utilisation à grande échelle.
Ce projet de nature industrielle, qui regroupe trois entreprises et deux laboratoires publics, est centré sur ces deux objectifs - coût et efficacité - et propose une approche radicalement différente : l’utilisation de substrats métalliques très bas-coût pour le dépôt de structures efficaces de DELs à nanofils en configuration coeur-coquille.
Dans ce projet, nous nous proposons d’utiliser des feuillards métalliques d’alliages à base Ni ou Fe, développés par la société française APERAM / IMPHY et de les adapter spécifiquement pour les applications aux DELs blanches à base de nanofils. Ces matériaux ont un coût par unité de surface environ 100 fois plus faible que les substrats usuels de saphir, et peuvent être très fortement texturés, ce qui facilite la croissance orientée des nanofils. Ils sont également compatibles avec la température de croissance des nanofils de GaN, typiquement 1000°C. Leurs conductivités électrique et thermique ainsi que leur réflectivité optique peuvent très nettement simplifier les différentes étapes technologiques de fabrication de la DEL et donc en réduire fortement les coûts. De façon à assurer une émission uniforme et quasi monochromatique sur la surface du substrat métallique, et pour faciliter les procédés d’intégration des LEDs à nanofils, les nanofils seront déposés par croissance sélective au travers de masques sur le substrat métallique. La PME SILSEF, aura pour mission d’étendre son savoir faire dans la structuration des substrats silicium nanostructurés aux substrats métalliques. Les structures cœur–coquille seront élaborées puis intégrées au CEA/LETI qui possède une expertise importante dans le domaine des DELs à nanofils. Le LMGP apportera son expertise pour le dépôt conforme d’oxydes transparents conducteurs sans indium sur ces structures à nanofils. Afin de mieux cerner les éventuels problèmes de la DEL et de faire rapidement évoluer les procédés, nous comparerons les propriétés d’électroluminescence et de photoluminescence de nanofils intégrés, tout en nous attachant à caractériser la luminescence de nanofils isolés par cathodoluminescence. Finalement, la caractérisation électro-optique du dispositif DEL sera de la responsabilité d’HELIODEL, spin-off du CEA/LETI, dont le cœur de métier est celui des DELS à nanofils de nitrures.
Notons que ce projet ouvre la voie à une approche radicalement nouvelle pour la realisation de DELs. En effet, il propose un nouveau procédé technologique compatible avec des techniques d’élaboration industrielles du type “roll to roll” ou par défilement, similaires à celles qui ont cours dans l’industrie photovoltaïque par exemple, permettant par la même occasion un gain en coût et en volume de production pour des diodes électroluminescentes de haute efficacité.