Les LED entrent dans l'échelle nanométrique, mais les obstacles à l'efficacité mettent à l'épreuve les plus petites LED à ce jour

Les LED à l'échelle nanométrique représentent l'une des frontières les plus passionnantes de la photonique, avec des écrans et des dispositifs prometteurs plus petits que ce que l'œil humain peut percevoir. Pourtant, le chemin vers une technologie micro-LED viable est semé de défis physiques fondamentaux que les ingénieurs commencent seulement à résoudre. À mesure que les chercheurs poussent les LED au niveau nanométrique, leur efficacité chute fortement, menaçant de compromettre les avantages mêmes qui rendent les sources lumineuses miniaturisées si attrayantes en premier lieu.

Que sont exactement les LED à l’échelle nanométrique et pourquoi sont-elles importantes ?

Une LED à l'échelle nanométrique – souvent appelée micro-LED ou nano-LED selon ses dimensions – est une diode électroluminescente dont la région active mesure entre quelques centaines de nanomètres et des dizaines de nanomètres. À ces échelles, les techniques traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs répondent aux limites strictes de la mécanique quantique, de la chimie des surfaces et des défauts des matériaux, d'une manière que les LED plus grandes ne rencontrent tout simplement pas.

L’attrait est énorme. Les nano-LED pourraient permettre des affichages ultra haute résolution pour les casques de réalité augmentée et virtuelle, les outils d'imagerie médicale de nouvelle génération, les interfaces neuronales optiques et les interconnexions optiques sur puce qui transfèrent les données à la vitesse de la lumière. Par rapport à la technologie OLED, les micro-LED promettent une luminosité supérieure, une durée de vie plus longue et une consommation d'énergie inférieure, du moins en théorie. En pratique, les faire fonctionner efficacement à l’échelle nanométrique s’avère être l’un des problèmes les plus difficiles de l’ingénierie moderne des semi-conducteurs.

Qu’est-ce qui cause la baisse d’efficacité des plus petites LED à ce jour ?

Le principal défi auquel sont confrontées les LED à l'échelle nanométrique est un phénomène que les chercheurs appellent « chute d'efficacité » : une chute précipitée de l'efficacité quantique externe (EQE) à mesure que les dimensions des dispositifs diminuent. Plusieurs mécanismes de composition sont à l’origine de cet effet :

Pertes de recombinaison de surface : à mesure que le rapport surface/volume augmente considérablement à l'échelle nanométrique, les porteurs de charge (électrons et trous) sont beaucoup plus susceptibles d'atteindre la surface du dispositif et de se recombiner de manière non radiative, générant de la chaleur au lieu de la lumière.

Dommages aux parois latérales dus à la gravure : les processus de gravure au plasma utilisés pour modeler de minuscules mesas LED introduisent des défauts cristallins et des liaisons chimiques pendantes le long des parois latérales, créant ainsi des centres de recombinaison non radiatifs supplémentaires qui privent l'appareil de son efficacité.

Recombinaison Auger à des densités de porteurs élevées : lors de l'injection de la même densité de courant dans un volume actif beaucoup plus petit, les concentrations locales de porteurs montent en flèche, déclenchant la recombinaison Auger - un processus à trois corps qui gaspille de l'énergie sous forme de chaleur plutôt que de photons.

Mauvaise répartition du courant : à l'échelle nanométrique, le courant injecté a tendance à se rassembler à proximité des contacts plutôt que de se répartir uniformément dans la région active, créant ainsi des points chauds qui accélèrent la dégradation et réduisent l'uniformité.

Difficultés d’extraction de photons : les effets de confinement quantique modifient la directionnalité et la longueur d’onde de l’émission, ce qui rend plus difficile l’extraction efficace des photons des minuscules volumes de l’appareil.

"La physique qui rend les grandes LED efficaces fonctionne en fait contre vous à l'échelle nanométrique. Chaque dimension que vous rétrécissez expose davantage de surface, et les surfaces sont là où la lumière meurt. Résoudre la passivation de surface au niveau nanométrique est la clé qui débloque le reste de la technologie. " — Chercheur de premier plan en photonique, symposium Nature Photonics, 2024

Comment les chercheurs abordent-ils le problème de la passivation de surface ?

La passivation de surface – le traitement chimique des surfaces semi-conductrices exposées pour neutraliser les défauts – est devenue le principal axe de recherche en ingénierie des nano-LED. Les équipes du MIT, du KAIST et de l'IMEC ont expérimenté le dépôt de couches atomiques (ALD) de films d'alumine et d'oxyde d'hafnium pour recouvrir les parois latérales et supprimer la recombinaison non radiative. Les résultats ont été prometteurs mais incohérents, la qualité de passivation étant très sensible à la chimie des précurseurs et à la température de dépôt.

Une approche parallèle utilise des couches actives de points quantiques (QD) plutôt que des puits quantiques traditionnels. Béca

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