Les LED traditionnelles ont révolutionné le domaine de l'éclairage et de l'affichage grâce à leurs performances supérieures en termes d'efficacité.

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. Elles sont généralement constituées d'empilements de fines couches semi-conductrices dont les dimensions latérales se comptent en millimètres, bien plus petites que celles des dispositifs traditionnels tels que les ampoules à incandescence et les tubes cathodiques. Cependant, les nouvelles applications optoélectroniques, comme la réalité virtuelle et la réalité augmentée, nécessitent des LED de taille micrométrique, voire inférieure. L'espoir est que les LED à l'échelle micrométrique ou submicronique (µLED) conservent bon nombre des qualités supérieures des LED traditionnelles, telles qu'une émission très stable, une efficacité et une luminosité élevées, une consommation d'énergie ultra-faible et une émission en couleur, tout en étant environ un million de fois plus petites, permettant ainsi des écrans plus compacts. De telles puces LED pourraient également ouvrir la voie à des circuits photoniques plus puissants si elles peuvent être intégrées sur une seule puce de silicium et couplées à l'électronique CMOS (semi-conducteur métal-oxyde complémentaire).

Cependant, jusqu'à présent, ces micro-LED restent difficiles à réaliser, notamment dans la gamme de longueurs d'onde d'émission du vert au rouge. L'approche traditionnelle des micro-LED est un procédé descendant où des films de puits quantiques (PQ) InGaN sont gravés pour former des dispositifs à l'échelle micrométrique. Bien que les micro-LED à base de puits quantiques InGaN en couches minces aient suscité un vif intérêt grâce aux nombreuses propriétés remarquables de l'InGaN, telles qu'un transport efficace des porteurs et une accordabilité de la longueur d'onde sur l'ensemble du spectre visible, elles souffrent jusqu'à présent de problèmes comme la corrosion des parois latérales, qui s'aggrave avec la miniaturisation des dispositifs. De plus, la présence de champs de polarisation induit une instabilité de la longueur d'onde et de la couleur. Pour pallier ce problème, des solutions à base d'InGaN non polaire et semi-polaire et de cavités à cristaux photoniques ont été proposées, mais elles ne sont pas encore pleinement satisfaisantes.

Dans un article récemment publié dans Light Science and Applications, des chercheurs dirigés par Zetian Mi, professeur à l'Université du Michigan à Annabel, ont mis au point une LED verte submicronique à base de nitrure de calcium qui surmonte définitivement ces obstacles. Ces micro-LED ont été synthétisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma, sélective et régionale. À l'inverse de l'approche descendante traditionnelle, la micro-LED présentée ici est constituée d'un réseau de nanofils, chacun mesurant seulement 100 à 200 nm de diamètre, séparés par quelques dizaines de nanomètres. Cette approche ascendante permet d'éviter les dommages causés par la corrosion latérale.

La partie émettrice de lumière du dispositif, également appelée région active, est composée de structures à puits quantiques multiples (PQM) cœur-coquille caractérisées par une morphologie de nanofils. Plus précisément, le PQM est constitué d'un puits en InGaN et d'une barrière en AlGaN. En raison des différences de migration des atomes adsorbés (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 enveloppe le cœur du PQM. Les chercheurs ont observé que la teneur en aluminium de cette coquille GaN/AlGaN diminuait progressivement du côté d'injection d'électrons vers le côté d'injection de trous. Du fait de la différence de polarisation interne entre GaN et AlN, ce gradient de volume de teneur en aluminium dans la couche AlGaN induit la présence d'électrons libres, qui migrent facilement vers le cœur du PQM et atténuent l'instabilité de couleur en réduisant le champ de polarisation.

En effet, 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 de lumière induite par le courant, reste constante, à un ordre de grandeur près de la variation du courant injecté. Par ailleurs, l'équipe du professeur Mi a précédemment mis au point une méthode de croissance de revêtements de GaN de haute qualité sur silicium, permettant ainsi la fabrication de micro-LED sur silicium. Une micro-LED est ainsi déposée sur un substrat de silicium, prête à être intégrée à d'autres composants électroniques CMOS.

Cette micro-LED présente de nombreuses applications potentielles. La robustesse de la plateforme sera renforcée à mesure que la longueur d'onde d'émission de l'écran RVB intégré sur la puce s'étendra au rouge.