Les LED traditionnelles ont révolutionné le domaine de l'éclairage et de l'affichage grâce à leurs performances supérieures en termes d'efficacité, de stabilité et de taille. Les LED sont généralement constituées d'empilements de couches minces de semi-conducteurs dont les dimensions latérales sont de l'ordre du millimètre, bien plus petites que celles des dispositifs traditionnels tels que les ampoules à incandescence et les tubes cathodiques. Cependant, les applications optoélectroniques émergentes, comme la réalité virtuelle et augmentée, nécessitent des LED de l'ordre du micron ou moins. On espère que les LED micro ou submicroniques (µLED) conserveront bon nombre des qualités supérieures des LED traditionnelles, telles qu'une émission très stable, un rendement et une luminosité élevés, une consommation d'énergie ultra-faible et une émission couleur complète, tout en étant environ un million de fois plus petites, permettant des écrans plus compacts. Ces puces LED pourraient également ouvrir la voie à des circuits photoniques plus puissants si elles pouvaient être développées sur une seule puce en silicium et intégrées à un circuit électronique CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire).
Cependant, jusqu'à présent, ces µLED sont restées difficiles à obtenir, en particulier dans la gamme de longueurs d'onde d'émission du vert au rouge. L'approche traditionnelle LED-µLED est un processus descendant dans lequel des films de puits quantiques (QW) en InGaN sont gravés dans des dispositifs à micro-échelle par un processus de gravure. Si les µLED tio2 à base de QW en InGaN en couches minces ont suscité beaucoup d'intérêt en raison de nombreuses excellentes propriétés de l'InGaN, telles qu'un transport efficace des porteurs et une accordabilité en longueur d'onde dans toute la gamme visible, elles ont jusqu'à présent été confrontées à des problèmes tels que les dommages causés par la corrosion des parois latérales, qui s'aggravent avec la taille du dispositif. De plus, en raison de l'existence de champs de polarisation, elles présentent une instabilité de longueur d'onde/couleur. Pour résoudre ce problème, des solutions InGaN non polaires et semi-polaires et des cavités à cristal photonique ont été proposées, mais elles ne sont pas satisfaisantes à l'heure actuelle.
Dans un nouvel article publié dans Light Science and Applications, des chercheurs dirigés par Zetian Mi, professeur à l'Université du Michigan à Annabel, ont développé une LED verte iii – nitrure de taille submicronique qui surmonte définitivement ces obstacles. Ces µLED ont été synthétisées par épitaxie sélective régionale par jets moléculaires assistée par plasma. Contrairement à l'approche descendante traditionnelle, la µLED est constituée d'un réseau de nanofils, chacun d'un diamètre de seulement 100 à 200 nm, séparés par des dizaines de nanomètres. Cette approche ascendante permet d'éviter les dommages dus à la corrosion des parois latérales.
La partie électroluminescente du dispositif, également appelée région active, est composée de structures à puits quantiques multiples (MQW) cœur-coquille caractérisées par une morphologie en nanofils. Le MQW est notamment constitué d'un puits en InGaN et d'une barrière en AlGaN. En raison de différences de migration des atomes adsorbés des éléments du groupe III (indium, gallium et aluminium) sur les parois latérales, nous avons constaté une absence d'indium sur les parois latérales des nanofils, là où la coquille GaN/AlGaN enveloppait le cœur du MQW comme un burrito. Les chercheurs ont constaté que la teneur en Al de cette coquille GaN/AlGaN diminuait progressivement du côté injection d'électrons des nanofils au côté injection de trous. Du fait de la différence entre les champs de polarisation internes du GaN et de l'AlN, ce gradient volumique de teneur en Al dans la couche d'AlGaN induit des électrons libres, qui circulent facilement dans le cœur du MQW et atténuent l'instabilité des couleurs en réduisant le champ de polarisation.
En fait, les chercheurs ont constaté que pour les dispositifs de moins d'un micron de diamètre, la longueur d'onde maximale de l'électroluminescence, ou émission lumineuse induite par le courant, reste constante d'un ordre de grandeur égal à la variation de l'injection de courant. De plus, l'équipe du professeur Mi a précédemment développé une méthode de croissance de revêtements GaN de haute qualité sur silicium pour la fabrication de LED à nanofils sur silicium. Ainsi, une µLED repose sur un substrat de silicium, prête à être intégrée à d'autres composants électroniques CMOS.
Cette µLED offre de nombreuses applications potentielles. La plateforme du dispositif gagnera en robustesse à mesure que la longueur d'onde d'émission de l'écran RVB intégré à la puce s'étendra jusqu'au rouge.
Date de publication : 10 janvier 2023