Description

Le « wall-plug efficiency » (WPE) des diodes électroluminescentes (LED) est défini comme la puissance optique de sortie par unité de puissance électrique d'entrée. Aujourd'hui, les LEDs III-nitrures à émission bleue présentent un WPE supérieur à 90 % [1]. Cependant, lorsque la teneur en indium des alliages InGaN qui forment les puits quantiques est augmentée afin de produire des LEDs émettant à des longueurs d'onde plus grandes, la WPE chute brutalement [2], ce qui entraîne ce que l'on appelle le « green gap » [3]. Les laboratoires de recherche universitaires et industriels explorent des stratégies visant à améliorer le WPE des LEDs, dans le but de produire des émetteurs de lumière blanche efficaces. Une telle réussite présenterait des avantages technologiques et économiques majeurs dans les applications d'éclairage et d'écrans micro-LED [4].

Récemment, des WPEs [5] records ont été obtenus dans des LEDs émettant dans le vert et le jaune, via la présence des densités élevées (≈ 3 x 108 cm-2) de défauts cristallins appelés « V-pits ». Le mécanisme à l'origine de cette amélioration significative du WPE commence seulement à être élucidé grâce à nos récents travaux expérimentaux [6]. La modélisation numérique [7] avait suggéré que des barrières de potentiel internes plus faibles, résultant de la nature semi-polaire des parois latérales des V-pits, pourraient faciliter l'injection de charge dans la zone active de la LED, entraînant ainsi un WPE plus élevé. À l'aide d'une technique novatrice, la microscopie de luminescence à effet tunnel (STLM), qui combine la résolution spatiale nanométrique de la microscopie à effet tunnel avec les avantages de la spectroscopie optique [6], nous avons prouvé que c'était le cas sur des LED commerciales à émission verte.

Nous proposons une thèse visant à étudier l'effet sur le WPE de l'injection électrique à travers des facettes cristallines semi-polaires et non polaires d'hétérostructures LED III-nitrure, en utilisant la pointe à effet tunnel du STLM comme électrode nanométrique pour l'injection de charge dans un côté de la LED. Le candidat aura le choix de travailler avec une gamme d'hétérostructures et de dispositifs provenant de nos collaborateurs en France et aux États-Unis, ainsi que de producteurs asiatiques de LED commerciales. Le stage offre donc au candidat la possibilité de participer au développement et à l'utilisation de méthodes expérimentales originales capables d'étudier les propriétés optoélectroniques des matériaux électroluminescents à l'échelle nanométrique. Outre les aspects de physique fondamentale liés à la dynamique de recombinaison des charges dans les semi-conducteurs désordonnés, ces travaux présentent un intérêt immédiat et direct pour les fabricants de LED à l'échelle industrielle.

La thèse conviendrai à un(e) candidat(e) intéressé(e) par tous les aspects de la physique des semi-conducteurs et lui donneraient l'occasion de devenir expert dans toute une gamme de techniques, allant de la cryogénie, du vide poussé, des méthodes de sonde local et de l'électronique, à l'interfaçage et aux méthodes de spectroscopie optique. Le candidat sera encadré par une équipe de scientifiques et d'ingénieurs et aura l'occasion de travailler directement avec nos collègues en France, en Asie et en Amérique du Nord.

Compétences requises

Une bonne connaissance de la physique du solide et plus particulièrement de la physique des semi-conducteurs est indispensable. Des connaissances en optique seraient un plus. Le candidat devra avoir un goût prononcé pour le développement d'instrumentations originales et la conduite d'expériences non-standards.

Bibliographie

[1] L. Y. Kuritzky et al., Optics Express 25, 30696 (2017).
[2] C. Weisbuch et al., Physica Status Solidi (a) 212, 899 (2015).
[3] M. Usman et al., Critical Reviews in Solid State and Materials Science 46, 450 (2021).
[4] B. Fan et al., Laser & Photonics Reviews 17, 2200455 (2023).
[5] S. Zhang et al., Photonics Research 8, 1671 (2020).
[6] C. Fornos et al., arXiv:2506.18025 (2025).
[7] C.-H. Ho et al., Physical Review Applied 17, 014033 (2022).

Mots clés

semi-conducteur, microscopie à effet tunnel, défauts, interaction lumière-matière, spectroscopie optique, diodes électroluminescente