IMAGE : (A) SCHÉMA DU RÉSEAU DE NANOFILS À PUITS QUANTIQUES MULTIPLES INGAN/AGAN. (B) LA LONGUEUR D'ONDE DE PIC DE L'ÉLECTROLUMINESCENCE DE L'APPAREIL RESTE CONSTANTE SUR UN ORDRE DE MAGNITUDE DE CHANGEMENT DANS L'INJECTION DE COURANT. (C) LES CARACTÉRISTIQUES DE TENSION ACTUELLE D'UN APPAREIL QUI PRÉSENTE UN BON RAPPORT DE RECTIFICATION ET UNE FORTE ÉMISSION VERTE VISIBLE AUX YEUX.
CRÉDIT : PAR YUANPENG WU, YIXIN XIAO, ISHTIAQUE NAVID, KAI SUN, YAKSHITA MALHOTRA, PING WANG, DING WANG, YUANXIANG XU, AYUSH PANDEY, REDDEPPA MADDAKA, WALTER SHIN, JIANGNAN LIU, JUNGWOOK MIN, ZETIAN MI
En raison de leurs propriétés supérieures en termes d'efficacité, de stabilité et de volume d'appareil, les diodes électroluminescentes (DEL) conventionnelles ont déjà révolutionné le monde de l'éclairage et de l'affichage. Les LED sont généralement des empilements de films minces semi-conducteurs dont les dimensions latérales sont de l'ordre du millimètre, beaucoup plus petites que les appareils traditionnels tels que les ampoules à incandescence et les tubes cathodiques. Pourtant, les applications optoélectroniques émergentes telles que la réalité virtuelle et augmentée exigent des LED dont les dimensions sont de l’ordre du micromètre ou moins. Il est souhaité que les LED à l'échelle micro ou submicronique (µLED) continuent de posséder les nombreuses qualités supérieures que possèdent déjà les LED classiques, telles qu'une émission très stable, un rendement et une luminosité élevés, une consommation d'énergie ultrafaible et une émission couleur, tout en étant environ un million de fois plus petite en superficie, permettant un affichage beaucoup plus compact. De telles µLED ouvriraient également la voie à des circuits photoniques beaucoup plus puissants s’ils pouvaient être développés de manière monolithique sur Si pour être intégrés à l’électronique complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS).
À ce jour, cependant, de telles µLED restent insaisissables, en particulier dans la gamme de longueurs d’onde d’émission allant du vert au rouge. L'approche conventionnelle des µLED est un processus descendant dans lequel des films minces à puits quantique (QW) InGaN sont modelés dans des dispositifs dont les dimensions sont à l'échelle micrométrique via des processus de gravure. Bien que les µLED à base d'InGaN QW à couche mince aient attiré beaucoup d'attention en raison de nombreuses propriétés souhaitables de l'InGaN, telles que le transport efficace des porteurs de charge et l'accordabilité de la longueur d'onde sur toute la plage visible, elles ont jusqu'à présent souffert de problèmes tels que les dommages causés par la gravure des parois latérales qui s'aggravent à mesure que la taille de l'appareil diminue. En outre, ils souffrent d’une instabilité de longueur d’onde/couleur due aux champs de polarisation, pour lesquels des solutions telles que l’InGaN non polaire et semi-polaire et des cavités à cristaux photoniques ont été proposées mais n’ont pas été satisfaisantes jusqu’à présent.
Dans un nouvel article publié dans Light Science & Application, des chercheurs dirigés par le professeur Zetian Mi de l'Université du Michigan à Ann Arbor, aux États-Unis, ont développé des µLED vertes à l'échelle submicronique en nitrure III qui surmontent ces barrières d'un seul coup. Ces µLED sont synthétisées par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma à zone sélective. Contrairement à l'approche descendante conventionnelle, les µLED sont ici constituées de réseaux de nanofils, chacun mesurant seulement 100 à 200 nm de diamètre et espacés de plusieurs dizaines de nanomètres. Une telle approche ascendante évite intrinsèquement les dommages causés par la gravure des parois latérales.
La partie électroluminescente du dispositif, également connue sous le nom de région active, consiste en une structure à puits quantiques multiples (MQW) cœur-coquille unique à la morphologie des nanofils. En particulier, le MQW est constitué de puits InGaN et de barrières AlGaN. En raison des différences de migration des adatomes sur la paroi latérale entre les éléments du groupe III que sont l'indium, le gallium et l'aluminium, l'indium est absent sur les parois latérales du nanofil, où une coque GaN/AlGaN enveloppe le noyau MQW comme un burrito. Les chercheurs ont découvert que la teneur en Al de cette coque GaN/AlGaN diminue du côté injection d’électrons vers le côté injection de trous du nanofil. En raison de la différence de champ de polarisation interne entre GaN et AlN, un tel gradient global de teneur en Al dans les couches d'AlGaN induit des électrons libres, qui peuvent facilement circuler dans le noyau MQW pour atténuer l'instabilité de la couleur en atténuant les champs de polarisation.
En effet, les chercheurs ont découvert que la longueur d’onde maximale de l’électroluminescence, ou émission de lumière induite par un courant électrique, reste constante sur un ordre de grandeur de changement dans l’injection de courant, pour un dispositif d’un diamètre inférieur à un micromètre. De plus, le groupe du professeur Mi a précédemment développé une méthode permettant de développer une épicouche de GaN de haute qualité sur du silicium, sur laquelle sont cultivées les nanofils µLED. En tant que tels, les µLED reposent nativement sur un substrat Si, prêts à être intégrés à d’autres composants électroniques CMOS.
De telles µLED ont facilement de nombreux scénarios d’application potentiels. La plate-forme de l'appareil deviendrait plus robuste avec l'extension de la longueur d'onde d'émission au rouge pour l'affichage RVB intégré sur la puce.
Heure de publication : 01-nov.-2022