Soutenance mémoire
Les diodes électroluminescentes
Il existe à l’heure actuelle deux méthodes utilisés dans l’industrie permettant d’obtenir des LEDs blanches. [1]
Méthode 1 : Mélange de LEDs de couleurs : La mise au point, par l’entreprise Nichia, [9] de LEDs bleues permet de produire de la lumière blanche à partir d’un mélange de LEDs rouges, vertes et bleues dans un même luminaire, spot ou « tableau » à LEDs. [1] Cette méthode à deux avantages : d’une part l’efficacité lumineuse globale est bonne et, d’autre part, elle permet de faire varier les intensités lumineuses de chaque groupe de LEDs afin d’obtenir la température de couleur et d’indice de rendu des couleurs (IRC) désirée (un bon IRC est proche de 100 et un bonne température de couleur est proche de 550k). C’est aussi la méthode la plus efficace en terme de consommation d’énergie pour le moment mais minoritaire sur le marché car trop onéreuse pour être intégrée à grande échelle. [2]
Méthode 2 : LED bleue et phosphore : Cette méthode est utilisée dans la majorité des LEDs blanches. [1] Elle est basée sur le principe de la fluorescence. Ces LEDs blanches sont fabriquées à partir d’une jonction p-n (diode) (voir annexe IV) à l’interface d’un empilement de couches minces de GaN en alliage avec l’indium (InxGa1-xN). Intrinsèquement, ces LEDs à base de InxGa1-xN donnent une émission bleue. Une couche luminescente à base de phosphore, déposée au-dessus, permet de convertir une partie du rayonnement émis en un rayonnement jaune. La lumière visible résultante est donc un mélange de bleu et de jaune, perçu par l’oeil comme un pseudo-blanc. Ces LEDs ont une efficacité lumineuse jusqu’à 90 lumens par watt selon les annonces de presse des grands fabricants (Nichia, CREE, Lumiled/Philips, OSRAM), ce qui est comparable avec une lampe fluorescente à basse consommation.
Transistor couche mince transparent à base de ZnO (TTFT)
Bien que le concept de TTFTs à base de ZnO ne soit pas nouveau, [26] il y a, depuis les premières publications en 2003, un intérêt croissant pour leur réalisation en vue d’applications aux écrans cristaux liquide à matrice active (AMLCD), au papier électronique et aux écrans flexibles à base de LEDs organique (OLEDs). Cette nouvelle génération de TTFTs présente un ratio on-off élevé (>106) et une mobilité dans le canal 10 fois plus élevée que ceux à base de Si, lesquels sont les plus couramment employés comme transistors pour les écrans LCD. Deux variantes de TTFTs à base de ZnO sont apparues, l’une utilisant ZnO de type würtzite, [27] et l’autre ZnO de type amorphe. [28] Ce sujet est développé dans les chapitres 2 et 5.
Dépôts de ZnO par PLD pour la fabrication de TFT et TCO
Résumé : Les deux articles qui constituent ce chapitre décrivent l’utilisation de ZnO déposé par PLD pour la fabrication de TFT et de TCO. Dans le premier article l’étude porte sur un TFT à base de dépôt de ZnO sur une structure de type Si3N4/SiO2/Si (111) et présente les caractéristiques cristallographiques, électriques et optiques (transmission de la lumière visible) de ce composant. Les spectres de XRD et les images MEB montrent que dans les conditions expérimentales utilisés ZnO présente une structure würtzite polycristalline, une qualité cristallographique relativement bonne, le scan XRD « 2θ/ω » (cf. annexe I.3) présente une largeur à mi-hauteur de 0.11º et une position du pic correspondant à une valeur du paramètre de maille c de 5.189 Å. Le scan XRD « ω » (cf. annexe I.3) indique une orientation préférentielle selon l’axe c. Des dépôts de ZnO sur du verre dans les mêmes conditions ont été réalisés afin de pouvoir étudier les spectres de transmission. Les résultats ont indiqué une transmission élevée sur tout le spectre visible. Un composant FET à géométrie « back-gate » a été fabriqué. Dans cette configuration le drain et la source sont situés sur la même surface alors que la grille est située sur la surface opposée. Les mesures électriques montrent une amélioration de la réponse du composant pour une tension d’allumage de ~ 0 V et un courant proche de du courant de fuite. Réduit en taille, ce composant TFT pourrait être utilisé dans des applications hautes fréquences. Dans le second article, l’étude porte sur les applications pour l’électronique sur support souple. ZnO est, dans ce, déposé sur du papier afin d’étudier la possibilité de fabriquer des composants électroniques sur des substrats souples à l’aide d’un dépôt par PLD à basse température. Les caractéristiques cristallographiques et optiques sont présentées. Néanmoins, à l’heure actuelle, une étape de recuit post-déposition de ZnO, à une température d’au moins 200°C est nécessaire pour obtenir des propriétés électriques et optiques satisfaisantes (cf. p. 6). L’expérience menée a démontré la possibilité de déposer ZnO amorphe par PLD à température ambiante, directement sur du papier et du mylar. La réstivité mesurée à température ambiante est de 13 + 9 Ω.cm. Un composant TFT a été réalisé et ZnO a été déposé sur des substrats souples (mylar et papier) par PLD à basse température et a permis de rendre ces substrats conducteurs. Dans l’étude du TFT, mon travail a consisté a mettre en place un procédé de fabrication du composant par photolithographie (cf. chapitre 2). Dans l’étude de la déposition de ZnO sur substrat souple, j’ai déterminé les conditions de croissance. Pour l’ensemble de ces travaux j’ai réalisé les images MEB, les spectres d’EDX et les mesures électriques.
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Table des matières
Liste des abréviations
Introduction
I Contexte
1.1 Avant propos : Nanovation
1.2 La PLD, la MOCVD et la PVT
1.3 L’oxyde de zinc
1.4 Applications à l’optoélectronique
1.4.1 Les diodes électroluminescentes
1.4.2. Les cellules photovoltaïques
1.4.3 Oxydes conducteurs et transistors couches minces
II ZnO et ses applications en optoélectronique
ZnO Thin Films & Nanostructures for Emerging Optoelectronic Applications
Conclusion
III Mise en place d’une approche pour la fabrication de ZnO nanostructuré
3.1 MOCVD Growth of ZnO Nanowires Using Au Droplets as Catalysts
3.2 Comparison of ZnO nanostructures grown using pulsed laser deposition, metal organic chemical vapor deposition, and physical vapour transport
Conclusion
IV Dépôts de ZnO par PLD pour la fabrication de LEDs et de PVs
4.1 Fabrication of Nanostructured Heterojunction LEDs Using Self Forming “Moth-Eye” Type Arrays of n-ZnO Nanocones Grown on p-Si (111) Substrates by Pulsed Laser Deposition
4.2 Morphological and optical studies of self-forming ZnO nanocolumn and nanocone arrays grown by PLD on various substrates
4.3 Growth of “moth-eye” ZnO nanostructures on Si (111), c-Al2O3, ZnO and steel substrates by PLD
4.4 Use of “moth-eye” ZnO nanostructures on Si (111) as templates for MOVPE growth of GaN
Conclusion
VI Dépôts de ZnO par PLD pour la fabrication de TFT et TCO
5.1 Thin film transistors with wurtzite ZnO channels grown on Si3N4/SiO2/Si (111) substrates by pulsed laser deposition
5.2 Amorphous ZnO Films Grown by Room Temperature Pulsed Laser Deposition on Paper and Mylar for Transparent Electronics Applications
Conclusion
Conclusions de ce travail de recherche
Etape 1 : Choix d’approche de croissance de nanostructures
Etape2 : Etude de la croissance de réseaux de nanostructures de ZnO sans catalyseur sur different substrats
Etape 3 : Fabrications de composants
ANNEXE I Outils de Caractérisations
I.1 Microscopie électronique à balayage
I.2 Photoluminescence
I.3 Microscopie à force atomique
I.4 Diffractométrie de rayons X
I.5 Cathodoluminescence
I.6 Réflexion spéculaire
ANNEXE II Les matériaux semi-conducteurs
ANNEXE III Structure de bande de ZnO
ANNEXE IV Luminescence d’un semi-conducteur et extraction de la lumière
ANNEXE V Novel Green Light Emitting Diodes: Exploring Droop-free Lighting Solutions for a Sustainable Earth
ANNEXE VI Epitaxial MOVPE growth of highly c-axis oriented InGaN/GaN films on ZnO-buffered
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