DELs flexibles à partir de GaN sur graphène – FLAGG

La première étape consiste à transférer un film de graphène sur un support de SiO2 qui est un matériau amorphe.

Ce film est structuré en petits motifs de quelques dizaines de nm de diamètre par lithographie électronique.

Sur les motifs de graphène obtenus, on réalise la croissance cristalline de nanofils de GaN dont l'orientation cristalline est dictée par le graphène. La technique de croissance retenue est l'épitaxie par jets moléculaires qui permet la croissance verticale de ces nano-objets sur le graphène.

Une seconde étape de croissance cristalline, réalisée par "épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques", permet d'élargir les nanofils jusqu'à l'obtention de domaines micrométriques de GaN de section hexagonale.

Ces domaines représentent des micro-substrats sur lesquels une structure active de composant peut être réalisée. Nous avons sélectionné des puits quantiques de GaInN qui peuvent émettre dans le visible.

Les différentes étapes technologiques du procédé proposé ont été optimisées. La preuve de concept est faite que des micro-domaines de GaN exempts de défauts (tout au moins dans leur partie supérieure) peuvent être réalisés. On peut donc s'en servir de micro-substrats ce que nous avons testé en y déposant des hétérostructures à puits quantiques GaInN/GaN qui émettent vers 500 nm.

Cependant, il reste de nombreux obstacles à lever: lorsque les nanofils servant de germes à la croissance latérale sont trop proches les uns des autres, des phénomènes de coalescence se produisent en générant des défauts structuraux. Il faut donc que chaque motif de graphène supporte un et un seul nanofil, ce qui n'est pas encore réalisé de manière reproductible. Par ailleurs, pendant le passage d'un bâti de croissance à l'autre, les nanofils s'oxydent en surface ce qui génère un autre type de défaut. Des solutions ont été proposées pour surmonter ces difficultés.

Les solutions proposées pour supprimer les défauts résiduels dans les micro-substrats de GaN sont à mettre en œuvre

Ces micro-substrats présentent une surface dite de polarité azote, contrairement à la polarité gallium communément utilisée dans la croissance de couches planaires. Il reste à étudier en détail l'impact de cette polarité sur les performances des dispositifs qui seront réalisés. Dans la littérature, des aspects négatifs (incorporation plus importante d'impuretés) ou positifs (pour les composants HEMTs par exemple) sont rapportés pour la polarité azote.

Le concept de micro-substrat pourrait s'étendre à l'alliage ternaire GaInN, ce qui permettrait d'atteindre plus facilement l'émission dans le rouge.

On peut envisager, après maturation du procédé, la fabrication de µLEDs transférables sur supports flexibles pour écrans haute résolution et dispositifs portables ou celle de sources et de capteurs pour des applications biomédicales.

Ce projet exploite l'épitaxie de van der Waals sur graphene pour développer des réseaux organisés de micro-templates de GaN ou d'InGaN de haute qualité cristalline. Ces micro-templates sont utilisés pour la croissance et la fabrication de micro-diodes électroluminescentes (LEDs) transférables sur support flexible. Le substrat initial est constitué de motifs nanométriques de graphène sur un support de silice amorphe. On procède en trois étapes de croissance en s'appuyant sur deux techniques (la MBE et la MOVPE) pour bénéficier de leur spécificités respectives: (i) la croissance sélective des germes sur les motifs de graphène; (ii) la croissance latérale autour de ces germes pour former des domaines de GaN sans défaut de quelques dizaines de µm; (iii) la croissance de la structure active de la LED sur la facette supérieure de ces micro-domaines. La fabrication des LEDs inclut leur séparation du substrat d'origine et leur transfert collectif sur un support flexible. Le démonstrateur final est un ensemble de micro-LEDs adressables individuellement dont le fonctionnement sous flexion du support sera testé.
Cette technologie entièrement basée sur les composés III-N, ouvre la voie à des écrans flexibles de haute brillance, de haute résolution et stables à long terme.