Topic 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 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.
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The wall-plug efficiency (WPE) of light-emitting diodes (LEDs) is defined as the output optical power per unit input electrical power. Today, blue-emitting, III-nitride LEDs exhibit WPEs > 90 % [1]. However, as the Indium content in the InGaN quantum well alloys is increased in order to produce LEDs emitting at longer wavelengths, WPE drops precipitously [2], resulting in the so-called green gap [3]. There are on-going efforts in academic & industrial research laboratories to explore strategies aimed at improving WPEs of long-wavelength III-nitride LEDs, with the goal being to produce efficient white-light emitters. Success would have major technological & economic advantages in lighting and micro-LED screen applications [4].
Recently, record-high WPE [5] in green- and yellow-emitting nitride LEDs were obtained in devices containing high (≈ 3 x cm-2) densities of crystalline defects known as a V-pits. The mechanism which yields this significantly improved WPE is only just becoming clear thanks to our recent experimental work [6]. Numerical modelling [7] had suggested that lower internal potential barriers arising from the semi-polar nature of V-pit sidewalls might facilitate charge injection into the active zone of the LED resulting in higher WPE. Using a novel technique – scanning tunneling luminescence microscopy (STLM) – which combines the nanoscale spatial resolution of scanning tunneling microscopy with the advantages of optical spectroscopy [6], we prove this to be the case on state-of-the-art, green-emitting commercial LEDs.
We propose an internship and subsequent Ph.D. thesis which aims to study the effect on WPE of electrical injection through semi-polar and non-polar crystal facets of commercially viable III-nitride LED heterostructures using the scanning, tunneling tip of the STLM as a nanoscale electrode for charge injection into one side of the LED. The candidate will have the choice to work with a range of possible heterostructures and devices sourced through our collaborators in France and the United States, as well as from Asian producers of commercial LEDs. The internship therefore offers the candidate to participate and in the development and use of original experimental methods able to probe the optoelectronic properties of LED materials at the nanoscale. In addition to fundamental physical aspects touching on the recombination dynamics of charge in semiconductors, the work is of immediate, direct relevance to industrial-scale producers of LEDs.
The internship and thesis would suit a candidate interested in all aspects of semiconductor physics, and will provide the opportunity to become expert in a range of techniques, from cryogenics, ultra-high vacuum, local probe methods and electronics, to instrumental interfacing and optical spectroscopy methods. The candidate will be supervised by a team of scientists and engineers and will have the opportunity to work directly with our colleagues in France, Asia and North America.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Funding further details
Allocation doctorale AMX*Appel anticipé*Concours pour un contrat doctoral*Contrat Doctoral E4C*Contrat Doctoral M4S*
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