Collège doctoral franco-allemand (CDFA-05-06) Bochum-Nice à L'Université Franco-allemande (UFA-DFH)

Vous êtes-vous déjà demandé d’où viennent les petites lampes bleues ou blanches qui fleurissent partout au moment des illuminations de Noël ou sur vos téléphones portables? Proviennent-elles de Mars ou sont-elles apparues spontanément et par chance ? Non ! Elles sont le fruit d’une longue histoire qui a nécessité l’abnégation de nombreux chercheurs. Cette histoire est bien loin d’arriver à sa conclusion nous allons poursuivre son écriture en continuant de travailler comme ci-dessous:

Dans notre école doctorale binationale entre la Ruhr-Universität Bochum et l'Université de Nice - Sophia Antipolis en France, de jeunes physiciens font leur doctorat en trois langues - allemand et français dans le laboratoire, anglais dans les publications. Ils ne font pas seulement de la recherche à la pointe de la technologie des semi-conducteurs, mais acquièrent également des qualifications internationales clés qui les préparent à une carrière polyglotte dans la recherche, le développement, le marketing ou la gestion. 

  


Photo de groupe des participants au mini-atelier en octobre 2019 à l'Université Côte d'Azur. De gauche à droite : Jean-Yves Duboz, Maxime Hugues, Patrice Genevet, Antoine Barbier-Cueil, Timo Kruck, Nikolai Spitzer, Hans-Georg Babin, Fabrice Semond, Camille Lagoin, Nikita Nikitskiy, Stéphanie Renesson, Philippe Vennéguèz, Andreas Wieck, Antoine Reserbat-Plantey, Hélène Rotella, Pierre Marie Coulon, Renato Juliano Martins, Minh Tuan Dau, François Dubin, Peter Zajac, Borge Vinter

Histoire, motivation et domaines d'activité:

En 2014, le prix Nobel en physique fut décerné à Shuji Nakamura, Hiroshi Amano et Isamu Akasaki pour l’invention de la diode électroluminescente (DEL) bleue („light emitting diode“ LED) en nitrure de gallium (GaN) en 1995. Depuis sa création en 2007, notre Ecole Doctorale Franco-Allemande poursuit des recherches sur ce système de semiconducteurs. Le but de ces travaux est d’améliorer la qualité cristalline en optimisant la croissance et de fabriquer des nanostructures dans lesquelles des effets de la mécanique quantique apparaissent même à la température ambiante. Le partenaire français « CRHEA » travaille depuis plus de 15 ans sur le matériau GaN et est un des instituts européens les plus plus reconnus au niveau international dans ce domaine. La médiatisation liée au prix Nobel 2014 a permis au grand public de découvrir le sujet des DELs blanches et des nitrures (GaN). Le GaN est un semiconducteur à grand gap interdit qui peut émettre des photons dans le domaine du rayonnement ultraviolet. En alliage avec l’indium, InxGa1-xN, ces émissions sont décalées vers le bleu et le vert. C’est ce matériau qui porte la technologie actuelles des DEL visibles : ces DELs sont vouées à remplacer presque toutes les autres sources d’éclairage. C’est déjà le cas pour les ampoules incandescentes, aidé en cela par la législation qui favorise les nouvelles voies permettant des économies d’énergie à moyen terme. En plus des applications pour l’éclairage, d’autres applications émergent dans le domaine des micro-ondes, des technologies de télécommunication, par exemple dans les téléphones portables et les antennes relais, ou encore pour l’électronique de puissance. La formation de chercheurs de très haut niveau dans ce domaine est donc incontournable afin d’assurer la présence de ce savoir-faire clé aux postes de responsabilité du marché du travail. Ceci est particulièrement vrai pour les deux pays européens, Allemagne et la France, qui concentrent la majorité de l’industrie du continent. A partir de ce constat, le Collège Doctoral Franco Allemand s’est fixé l’objectif de permettre un parcours de recherche binational aux jeunes doctorants comprenant l’étude de la croissance de ces semiconducteurs, la connaissance de l’optimisation et l’amélioration de ces matériaux ainsi que l’innovation par nanostructuration pour atteindre de nouvelles fonctionnalités. Malgré le fait que des DEL bleus soient fabriquées depuis quelques années par milliards, il reste encore un potentiel scientifique colossal à explorer. En effet, la croissance de couches de semiconducteurs de la famille de GaN reste encore loin d’être parfaite, comparée aux autres filières de l’industrie des semiconducteurs. Ceci est en partie dû aux substrats dont la maille cristalline est peu adaptée à celle de GaN. Ces problèmes trouveront peut-être leur solution dans l’homoépitaxie sur substrats GaN ou par substrats de maille plus proche que celle du saphir utilisé industriellement. C’est le sujet poursuivi avec le ZnO par le nouveau responsable de l’Ecole Doctorale Franco-Allemande Dr. Jean-Michel Chauveau, ce qui introduit des perspectives intéressantes dans notre Ecole. On peut s’attendre à l’amélioration en rendement et en durée de vie des DEL. En particulier le transfert aux semiconducteurs de grand gap de l’ingénierie de bandes connue dans les matériaux GaAs ouvre la voie à un nouveau monde de composants optoélectroniques. Dans ce sens, notre plan de recherche pour la période à venir se concentrera non seulement sur le transport latéral mais aussi dans le transport "vertical“ (dans la direction de croissance) qui par ailleurs est un axe principal des recherches au CRHEA. Au cours de la période de financement suivante, de 2025 à 2028, l'accent sera mis en particulier sur une application médico-physique du GaN dans le projet MATRIX, qui a fait l'objet d'une demande commune.

Projet MATRIX

Ces dernières années, nous avons préparé, sous la direction du Pr. Jean-Yves Duboz, un projet de recherche franco-allemand visant à étudier la détection surfacique de faisceaux de protons pour la recherche et la thérapie médicales. Cette symbiose entre la recherche sur les semi-conducteurs et la physique médicale s'est amorcée au cours de discussions intenses et enrichissantes entre nos deux sites. Le professeur Duboz a établi de bonnes relations avec le centre de thérapie de Lacassagne et ses co-requérants ; Pr. A. Wieck a une longue expérience des cours de physique médicale à la RUB et a pu convaincre le Dr. Bäumer du centre de protonthérapie ouest-allemand d'Essen d'être un co-requérant. Nous sommes heureux d'avoir obtenu ce projet grâce à des années de très bon travail préparatoire.
Dans ce collège de doctorants, des diodes à semi-conducteurs à base de GaN sont fabriquées, caractérisées, optimisées pour la détection de proton de haute énergie. Ces diodes sont assemblées en matrice de taille moyenne actuellement (barrette de 10-15 pixels) et très prochainement de grande taille (128 pixels). Enfin, en 2024, des matrices de grandes tailles seront réalisées afin de réaliser l’assurance qualité des faisceaux de protons. Un développement ultime pourra être l’imagerie de protons. De tels faisceaux de protons sont utilisés dans des centres médicaux à Essen (Allemagne) et à Nice (France) pour le traitement des tumeurs, offrant ainsi la thérapie la plus moderne et prometteuse contre le cancer. Jusqu'à présent, la capacité d'accueil des patients, c'est-à-dire l'accessibilité à cette technologie coûteuse, est restée en partie limitée par le taux nécessaire pour le calibrage de faisceau. Les détecteurs de GaN peuvent apporter une avancée significative en termes d'équipement, grâce à leur robustesse face à l’irradiation par protons, ce qui constitue le thème de ce collège de doctorants.