Une nouvelle méthode de fabrication de points quantiques a été démontrée en utilisant des défauts intrinsèques dans les matériaux LED. Grâce à la formation de pyramides, une luminescence lumineuse localisée émane des sommets des pyramides contenant des points quantiques riches en indium. Crédit : SMART
La découverte démontre une méthode pratique pour surmonter les défis actuels dans la fabrication de LED au nitrure d’indium et de gallium (InGaN) avec une concentration en indium considérablement plus élevée, grâce à la formation de points quantiques qui émettent une lumière à grande longueur d’onde.
- Les chercheurs ont découvert une nouvelle façon de générer de la lumière visible à grande longueur d’onde en utilisant des défauts intrinsèques dans les diodes électroluminescentes (DEL), qui sont utilisées dans une gamme d’applications allant de l’éclairage général à la communication de données et à la détection biologique.
- La nouvelle méthode offre une approche alternative pour développer des émetteurs de lumière rouge InGaN, qui souffrent traditionnellement d’une faible efficacité
- En suivant les procédures de fabrication standard de l’industrie, cette découverte peut offrir des avantages grâce à la génération directe de lumière rouge, verte et bleue dans les sources lumineuses et les écrans commerciaux en couleur.
Chercheurs du groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) sur les systèmes électroniques à faible consommation d’énergie (LEES) à Singapour-AVEC Alliance for Research and Technology (SMART), l’entreprise de recherche du MIT à Singapour, en collaboration avec des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de l’Université nationale de Singapour (NUS) et de l’Université technologique de Nanyang (NTU) ont découvert une nouvelle méthode de génération de longs -lumière de longueur d’onde (rouge, orange et jaune) grâce à l’utilisation de défauts intrinsèques dans les matériaux semi-conducteurs, avec des applications potentielles en tant qu’émetteurs de lumière directe dans les sources lumineuses et les écrans commerciaux. Cette technologie constituerait une amélioration par rapport aux méthodes actuelles, qui utilisent par exemple des luminophores pour convertir une couleur de lumière en une autre.
Un type de diode électroluminescente (DEL) à base de nitrure d’élément du groupe III, les DEL au nitrure d’indium et de gallium (InGaN) ont été fabriquées pour la première fois il y a plus de deux décennies dans les années 90, et ont depuis évolué pour devenir de plus en plus petites tout en devenant de plus en plus puissantes et efficaces. , et durable. Aujourd’hui, les LED InGaN peuvent être trouvées dans une myriade de cas d’utilisation industriels et grand public, y compris les signaux, la communication optique et le stockage de données – et sont essentielles dans les applications grand public à forte demande telles que l’éclairage à semi-conducteurs, les téléviseurs, les ordinateurs portables, les appareils mobiles, augmentés (AR) et de réalité virtuelle (VR).
La demande sans cesse croissante pour de tels dispositifs électroniques a conduit à plus de deux décennies de recherche pour obtenir une sortie optique, une fiabilité, une longévité et une polyvalence plus élevées à partir des semi-conducteurs, ce qui a conduit au besoin de LED pouvant émettre différentes couleurs de lumière. Traditionnellement, le matériau InGaN a été utilisé dans les LED modernes pour générer de la lumière violette et bleue, avec du phosphure d’aluminium gallium et d’indium (AlGaInP) – un type différent de semi-conducteur – utilisé pour générer de la lumière rouge, orange et jaune. Cela est dû aux mauvaises performances d’InGaN dans le spectre rouge et ambre causées par une réduction de l’efficacité en raison des niveaux plus élevés d’indium requis.
De plus, de telles LED InGaN avec des concentrations en indium considérablement élevées restent difficiles à fabriquer en utilisant des structures semi-conductrices classiques. En tant que tel, la réalisation de dispositifs électroluminescents entièrement à semi-conducteurs – qui nécessitent les trois couleurs primaires de lumière – reste un objectif non atteint.
Pour relever ces défis, les chercheurs de SMART ont présenté leurs découvertes dans un article intitulé « Light-Emitting V-Pits : An Alternative Approach to Luminescent Indium-Rich InGaN Quantum Dots », récemment publié dans la revue. ACS Photonique. Dans leur article, les chercheurs décrivent une méthode pratique pour fabriquer des points quantiques InGaN avec une concentration en indium significativement plus élevée en utilisant des défauts préexistants dans les matériaux InGaN.
Dans ce processus, la coalescence de ce que l’on appelle les fosses en V, qui résultent de dislocations existant naturellement dans le matériau, forme directement des points quantiques riches en indium, de petits îlots de matériau qui émettent une lumière de plus longue longueur d’onde. En faisant croître ces structures sur des substrats de silicium conventionnels, le besoin de motifs ou de substrats non conventionnels est encore éliminé. Les chercheurs ont également effectué une cartographie compositionnelle à haute résolution spatiale des points quantiques InGaN, fournissant la première confirmation visuelle de leur morphologie.
En plus de la formation de points quantiques, la nucléation de défauts d’empilement – un autre défaut intrinsèque du cristal – contribue également aux émissions de longueurs d’onde plus longues.
Jing-Yang Chung, étudiant diplômé de SMART et auteur principal de l’article, a déclaré : « Pendant des années, les chercheurs dans le domaine ont tenté de relever les divers défis présentés par les défauts inhérents aux structures de puits quantiques InGaN. Dans une nouvelle approche, nous avons plutôt conçu un défaut de nano-puits pour obtenir une plate-forme pour la croissance directe de points quantiques InGaN. En conséquence, nos travaux démontrent la viabilité de l’utilisation de substrats de silicium pour de nouvelles structures riches en indium, qui, en plus de relever les défis actuels liés à la faible efficacité des émetteurs de lumière InGaN à grande longueur d’onde, atténuent également le problème des substrats coûteux.
De cette façon, la découverte de SMART représente un pas en avant significatif pour surmonter l’efficacité réduite d’InGaN lors de la production de lumière rouge, orange et jaune. À leur tour, ce travail pourrait être déterminant dans le développement futur de matrices de micro LED constituées d’un seul matériau.
Le Dr Silvija Gradečak, co-auteur et chercheur principal au LEES, a ajouté : « Notre découverte a également des implications pour l’environnement. Par exemple, cette percée pourrait conduire à une suppression progressive plus rapide des sources d’éclairage non à semi-conducteurs – telles que les ampoules à incandescence – et même des LED InGaN bleues à revêtement phosphoreux actuelles avec une solution de mélange de couleurs entièrement à semi-conducteurs, à leur tour conduisant à une réduction significative de la consommation énergétique mondiale.
« Notre travail pourrait également avoir des implications plus larges pour l’industrie des semi-conducteurs et de l’électronique, car la nouvelle méthode décrite ici suit les procédures de fabrication standard de l’industrie et peut être largement adoptée et mise en œuvre à grande échelle », a déclaré Eugene Fitzgerald, PDG de SMART et chercheur principal de LEES. « À un niveau plus macro, outre les avantages écologiques potentiels qui pourraient résulter des économies d’énergie induites par InGaN, notre découverte contribuera également à la poursuite de la recherche et du développement sur le terrain de nouvelles structures InGaN efficaces. »
Référence : « Pits en V émettant de la lumière : une approche alternative vers les points quantiques InGaN luminescents riches en indium » par Jing-Yang Chung, Zhang Li, Sarah A. Goodman, Jinkyu So, Govindo J. Syaranamual, Tara P. Mishra, Eugene A. Fitzgerald, Michel Bosman, Kenneth Lee, Stephen J. Pennycook et Silvija Gradečak, 10 septembre 2021, ACS Photonique.
DOI : 10.1021/acsphotonics.1c01009
La recherche est menée par SMART et soutenue par la National Research Foundation (NRF) de Singapour dans le cadre de son programme Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE). Pour cet article, les structures LED ont été développées à l’aide des installations et du savoir-faire uniques de SMART, des études structurelles ont été menées au NUS à l’aide de microscopes électroniques de pointe à résolution atomique, tandis que des études optiques à l’échelle nanométrique ont été menées au MIT et au NTU.
