Projet NAPOLI : Semiconducteurs III-N nanoporeux fabriqués par sublimation selective pour l’optoélectronique
Actuellement, les LEDs sont souvent fabriquées sur des supports en saphir, mais nous voulons utiliser du silicium, ce qui permettrait d'avoir des LEDs moins chères à produire. Dans ce projet, nous proposons d'explorer une nouvelle voie pour fabriquer des lampes à LED en utilisant un matériau appelé nitrure de gallium (GaN).
Les LEDs à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont des composants qui émettent de la lumière lorsqu’elles sont traversées par un courant électrique.
On en trouve partout dans la vie de tous les jours : lampes blanches pour l’éclairage, les phares de voitures, la signalisation…
Le GaN est un cristal semi-conducteur qui est le second le plus utilisé après le Silicium (Si) (que l’on retrouve dans toutes les puces élecroniques). Pour fabriquer du GaN, on utilise un procédé appelé épitaxie. Epitaxie est un mot avec pour racines grecques "épi" qui signifie "sur" et "taxis" qui signifie « arrangement ». Il s’agit en fait de faire croître un cristal sur un substrat. Le substrat le plus utilisé pour l’épitaxie du GaN est le saphir mais il est aussi possible d’utiliser du Si.
Simplifier la fabrication des LEDs visible sur Silicium
Les LEDs (diodes électroluminescentes) à base de GaN permettent de réaliser aujourd’hui les lampes blanches les plus efficaces énergétiquement. Le substrat de base utilisé pour l’épitaxie de ces structures est le saphir. Toutefois ce type de substrat est limité en taille et remplacer le saphir par du Silicium permettrait d’accéder à des diamètres jusqu’à 300 mm et de bénéficier de tout le savoir-faire développé dans le cadre de la micro-électronique silicium. L’épitaxie de structures LEDs sur silicium est plus complexe que sur saphir, mais les verrous ont été levés, et les performances actuelles des LEDs sur silicium sont aussi bonnes que sur saphir. Toutefois, la complexité de la croissance rend caduque les avantages en taille de substrats pour espérer un gain sur les coûts de fabrication. Nous avons développé une technique permettant de simplifier de manière drastique le procédé de fabrication des LEDs sur silicium. L’objectif principal du projet est de démontrer que des couches de nitrures nano-poreuses peuvent être utilisées pour la fabrication de dispositifs électroniques.
LEDs poreuses par un procédé de nanomasquage auto-organisé et de sublimation
Notre approche consiste à fabriquer une structure LED simple sur du silicium. Cette structure est bien plus fine que les approches standards qui nécessitent 4-5 µm de GaN. Ce qui représente une économie significative en termes de quantité de matériaux utilisés. Cependant, elle présente des défauts qui peuvent affecter ses performances. Nous proposons donc de créer des petits trous dans la structure pour améliorer sa qualité. L'idée est de ne garder uniquement le nitrure de gallium de bonne qualité et ainsi obtenir des LEDs performantes.
En effet, cette structure simple peut être affectée par une forte densité de dislocations (défauts qui sont néfastes pour les performances des LEDs). L’idée fondamentale ici est de porosifier la structure par un processus de nanomasquage de la surface et de sublimation qui doit s’effectuer de manière préférentielle au niveau des dislocations.
La sublimation est un processus physique où une substance passe directement de l'état solide à l'état gazeux sans passer par l'état liquide. Dans le contexte de ce projet, la sublimation est utilisée pour éliminer sélectivement les défauts de la structure LED, laissant ainsi une structure poreuse améliorée.
NAPOLI est un projet qui a été financé par l’ANR entre 2018 et 2022, coordonné par le CRHEA (Valbonne) et avec pour partenaires le CIMAP (Caen), le L2C (Montpellier) et le C2N (Palaiseau).
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Découvrez le portrait de Benjamin Damilano à l'origine du projet NAPOLI !
WhiteBoard : La puissance des Leds !
Très bientôt, Ne manquez pas notre prochaine vidéo sur la fabrication de LED, présentée par Benjamin Damilano, chercheur à l'Institut de Recherche sur l'Hétéro-Épitaxie et ses Applications (CRHEA). Au format 'WhiteBoard', cette vidéo propose une présentation claire et concise, illustrée par des dessins simplifiés des concepts scientifiques. Restez connectés !
Les Leds, réputées pour leur longue durée de vie et leur faible consommation d'énergie, sont désormais des sources d’éclairages incontournables. Elles émettent de la lumière lorsqu’un courant électrique traverse un matériau semi-conducteur. Le matériau semi-conducteur le plus connu et utilisé est le silicium qui est présent dans toutes les puces électroniques dans les ordinateurs, les téléphones… Pour encore améliorer leur performance, les chercheurs du projet NAPOLI explorent les avancées avec le semi-conducteur GaN, particulièrement efficace pour produire les couleurs vives des LEDs bleues, vertes et blanches.