LEDs UV à boîtes quantiques

Les propriétés des boîtes quantiques (BQs) (confinement 3D, discrétisation des niveaux d’énergie, distribution de Dirac de la densité d’états…) ont été, depuis une vingtaine d’années, mises à profit pour réaliser de nombreux composants opto-électroniques (lasers, amplificateurs optiques, sources de photons uniques…). Dans les matériaux nitrures d’éléments III, et les alliages (Al,Ga)N en particulier, l’utilisation de BQs pour confiner les porteurs s’avère également judicieuse : en effet, malgré les fortes densités de dislocations (de l’ordre de 10⁹ - 10¹⁰ cm^-2) obtenues lors de la croissance hétéro-épitaxiale sur saphir ou silicium, leur rendement radiatif varie très peu entre les températures cryogéniques et la température ambiante, alors qu’il chute fortement dans le cas des puits quantiques. Ainsi, les diodes électroluminescentes (LEDs) (Al,Ga)N à base de puits quantiques présentent des performances limitées avec des rendements quantiques externes de l’ordre de quelques pourcents. Or ces dispositifs suscitent un fort intérêt en raison de leur spectre d’émission, qui permet de couvrir la gamme UV entre 200 - 360 nm, et ouvre un grand champ d’applications : désinfection de surfaces, purification de l’air/eau, dermatologie…. Dans ce projet, des BQs Al_yGa_1-yN sont utilisées comme zone active de LEDs fabriquées à base d’Al_xGa_1-xN (avec x > y) sur saphir. Les BQs sont réalisées par épitaxie par jets moléculaires, via un mode de croissance 2D/3D, et orientées selon les plans (0001) ou (11-22). La morphologie des BQs GaN (0001) et (11-22) est présentée sur les figures (a) et (b) : elles ont des hauteurs de 2 à 4 nm, et des dimensions latérales comprises entre 20 et 40 nm. La structure cristalline wurtzite ainsi que le désaccord de maille entre Al_yGa_1-yN et Al_xGa_1-xN entraine la présence d’un champ électrique interne (F) suivant l’axe [0001]. L’effet Stark quantique confiné associé à F conduit à l’obtention de longueurs d’onde d’émission des LEDs (0001) décalées vers le rouge (>360 nm) (figure (d)). La fabrication de BQs GaN selon le plan (11-22) conduit à une forte réduction de F. Cette propriété remarquable permet d’obtenir des émissions à plus courtes longueurs d’onde (figure (e)). L’utilisation de l’Al_0,1Ga_0,9N pour fabriquer les BQs (voir figure (c)) permet de décaler davantage la longueur d’onde d’émission vers l’UV et d’obtenir des LEDs émettant à 320 nm (figure (f)). Cette étude est financée par le projet ANR (ANR-14-CE26-0025-01) “NANOGANUV”