Étude théorique, expérimentale et numérique de la localisation des porteurs dans les dispositifs à base de nitrures – TECCLON

Les dispositifs (opto)électroniques modernes reposent sur l'ingénierie de bandes, rendue possible par l'utilisation d'hétérostructures dans lesquelles les bandes interdites, leur alignement et les contraintes dans les couches actives sont optimisées en associant des composés purs et des alliages. Les transistors à haute mobilité utilisent des gaz électroniques bidimensionnels, à l'interface entre deux couches, qui possèdent une mobilité très supérieure à celle des matériaux uniques. De même, les doubles hétérostructures, par effet de confinement électronique et optique, sont à la base des dispositifs électroluminescents les plus efficaces. Cependant, le désordre intrinsèque de composition résultant de la distribution aléatoire des atomes dans les alliages est inévitable. Bien que ces matériaux soient omniprésents dans de nombreux dispositifs, les effets du désordre sur les performances de ces dispositifs sont encore mal compris, en raison de l'énorme puissance de calcul requise pour les calculs numériques directs et de la complexité des effets qui doivent être pris en compte pour la description des phénomènes induits par le désordre. Pour de nombreux semi-conducteurs, les effets du désordre d'alliage peuvent être traités de manière perturbative et modifient modérément les paramètres des matériaux en raison de la faible amplitude des fluctuations de potentiel comparées à l'énergie thermique à température ambiante. Par exemple, les propriétés électriques des alliages AlInGaAs peuvent être décrites par une mobilité bien définie. Dans les alliages de nitrures, cela n’est plus vrai. La variation du gap avec la composition est suffisamment élevée pour que le désordre induise d'importantes fluctuations de potentiel, affectant fortement le fonctionnement des dispositifs même à température ambiante. Une complication additionnelle vient du fait que les nitrures ont des champs de polarisation spontanée et piézoélectriques importants. Cela oblige à utiliser des méthodes de modélisation numérique auto-consistantes. Une approche «standard», qui résoudrait l'équation de Schrödinger et utiliserait des méthodes statistiques quantiques, nécessiterait des temps de calcul extrêmement longs, ce qui a rendu une telle approche inaccessible jusqu’à présent. Au cours du précédent projet CRIPRONI, nous avons développé une nouvelle approche, plus efficace pour prendre en compte les effets du désordre, basée sur la théorie du paysage de localisation, développée par l'un des participants au projet. Nous avons démontré le potentiel de cette méthode en obtenant pour la première fois, par exemple, une estimation réaliste du seuil de tension des LED bleues à base de nitrure. Avec cette approche, le temps de calcul est généralement 1000 fois plus court que pour un modèle basé sur l’équation de Schrödinger, permettant ainsi la simulation auto-consistante des dispositifs à base de nitrures. En parallèle, nous avons développé une expérience d’électroluminescence sous injection locale par effet tunnel (STL) qui a permis d'observer des états localisés dans des puits quantiques InGaN à une échelle de quelques nanomètres, comme prédit par la théorie du paysage de localisation. Cette technique permet de mesurer le désordre intrinsèque local, en s’affranchissant des fluctuations de composition à grande échelle dues à l’inhomogénéité de la croissance. L’objectif de TECCLON est de développer plus avant ces outils de modélisation et ces techniques de mesure aux échelles pertinentes afin de mieux comprendre les facteurs qui limitent les performances des dispositifs à base de nitrures. L’amélioration de la modélisation et la meilleure connaissance des propriétés des matériaux aideront à résoudre des questions encore ouvertes pour parvenir au quasi-doublement de l’efficacité énergétique des LED visibles vertes, jaunes et ambres pour l'éclairage, et pour améliorer les performances des LED UV pour les systèmes de désinfection et de purification de l'eau.