Microscopie Corrélative 3D à l'Echelle Atomique et Simulation Electronique d'Emetteurs de Lumière – ASCESE-3D

Les défis énergétiques actuels se jouent non seulement dans la conversion et le stockage de l'énergie, mais aussi dans la réduction de la consommation d'énergie. L'utilisation des diodes électroluminescentes (LED) est aujourd'hui largement répandue dans l'éclairage, la signalisation, l'affichage, l'informatique, les télécommunications ou la désinfection. L'efficacité de conversion de puissance des LED bleues peut dépasser 80%. Cependant, l'efficacité chute considérablement pour une longueur d'onde d'émission inférieure à 350 nm pour UV AlGaN et entre 500 et 600 nm pour les matériaux à base d'InGaN. L'amélioration de l'efficacité des LED est un défi mondial lorsqu'il s'agit de réduire la consommation d'énergie. Des dispositifs LED efficaces et durables sont nécessaires et censées avoir un profond impact social.
Dans les LED à semi-conducteurs, la localisation des porteurs dans les systèmes confinés quantiques, c'est-à-dire les boites quantiques (quantum dots, QD) ou les puits quantiques (quantum wells, QW), joue un rôle majeur dans les performances optiques. Différents facteurs structurels (fluctuations de l'alliage, rugosité d'interface, interdiffusion, dislocations ou déformation) peuvent réduire / améliorer le confinement des porteurs conduisant à une modification de la durée de vie des porteurs, de la largeur de la raie d'émission et du taux de recombinaison Auger, qui est à l'origine du statisme d'efficacité des LED. Pour mieux comprendre et améliorer drastiquement les performances des LED, en particulier dans les gammes de longueurs d'onde UV et vert-rouge, il est important d'identifier et de lever le verrou technique associé aux inhomogénéités structurelles / chimiques dans la région active. Cela nécessite des méthodologies de caractérisation avancées qui peuvent fournir des informations structurelles / chimiques à l'échelle nanométrique et une corrélation avec les propriétés d'émission de lumière.
Dans ce projet, nous visons à développer une méthodologie originale pour corréler l'analyse multi-spectroscopique et microscopique de LED à base de semi-conducteurs au nitrure III (GaN et ses alliages), qui conduira à des simulations physiques améliorées de la structure de bande du dispositif. L'objectif est de comprendre les performances des LED en ce qui concerne leurs paramètres structurels et chimiques. Deux approches différentes seront mises en œuvre pour l'étude des caractéristiques expérimentales: (i) cathodoluminescence ex-situ (CL), microscopie électronique à transmission (MET), tomographie par sonde atomique (APT) sur le même spécimen et (ii) micro- photoluminescence (µPL) et APT. L'objectif ultime d'ASCESE 3D est d'obtenir une image tridimensionnelle (3D) de la composition chimique avec une résolution spatiale inférieure au nanomètre et le spectre d'émission de la même structure émettrice de lumière; ensuite, de corréler les propriétés structurelles et optiques avec des calculs numériques.
Dans ASCESE 3D, la méthodologie sera d'abord appliquée sur des nanofils de GaN de pointe contenant des émetteurs QD uniques, pour valider et renforcer les procédures d'analyse. Les simulations d'émetteurs uniques sont auto-cohérentes car elles ne dépendent pas du système environnant. Par conséquent, ils peuvent être considérés comme un système modèle pour la validation de la méthodologie. Les mesures in situ des spectres d'émission nous permettront de suivre et de comprendre l'effet de l'environnement local. Dans un deuxième temps, la méthodologie sera appliquée à la fois aux LED UV et visibles basées sur des nanostructures AlGaN et InGaN, respectivement.