Caractériser l'efficacité des micro-LED

Publié par Redbran le 19/01/2022 à 13:00
Source: CNRS INP
En analysant les propriétés de la lumière émise par une diode électroluminescente micrométrique sous l'effet d'un faisceau d'électrons, des chercheurs ont pu quantifier l'influence de la surface sur l'efficacité de ces dispositifs optoélectroniques.

Après plus de 30 ans de développement, les diodes électroluminescentes (Light emitting diodes, LED) à base de nitrures tels que le nitrure de gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa...) sont largement utilisées pour l'éclairage en général. Les micro-écrans, en réalité virtuelle (La réalité virtuelle est une simulation informatique interactive immersive, visuelle,...) ou augmentée, représentent désormais un nouveau domaine d'application. Ces technologies d'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du...) miniaturisées requièrent des tailles de pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une...) inférieures à 10 µm, on parle alors de micro-LED (μLED).


La μLED (couches bleu, rose et jaune) est éclairée par un faisceau d'électrons. Cela génère une lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (en mauve) analysée par un dispositif interférométrique de Hanbury Brown et Twiss. Les deux boîtes noires enregistrent le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) d'arrivée des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...). L'intensité est maximum lorsque les deux photons arrivent en même temps, une caractéristique propre de la cathodoluminescence. Les deux courbes mettent en évidence que l'intensité est moindre lorsque les photons proviennent du bord (Edge) que du centre (Center), ce qui traduit une moins bonne qualité du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...).

Pour obtenir une µLED, il est nécessaire de graver le matériau, ce qui génère des défauts. La gravure, en brisant la structure du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), crée des liaisons dites "pendantes". Elles sont alors disponibles pour se lier à n'importe quel atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...), à l'origine d'impuretés. Plus la LED est petite, plus ces défauts altèrent le comportement du dispositif car les effets de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) deviennent importants.Des technologies dites de passivation existent pour limiter leur influence. Il s'agit d'appliquer sur le flanc de gravure une couche protectrice afin d'occuper les liaisons pendantes. Cependant, la taille réduite des pixels, les artefacts de mesures et la grande diversité des méthodes de passivation rendent difficile la comparaison du gain d'efficacité entre les différentes solutions technologiques.

Étudier l'influence de la surface sur l'efficacité des μLED nécessite de combiner une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres (nm, 10-9 m) et une résolution temporelle de quelques dizaines de picosecondes (ps, 10−12 s). Ces échelles sont hors d'atteinte par des méthodes optiques conventionnelles.

Afin de remédier à cela, des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel (CNRS), en collaboration avec des chercheurs du CEA-LETI, ont développé une méthode innovante utilisant un microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules...) à balayage (MEB). Dans un MEB, lorsqu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) très énergétique vient interagir avec le matériau étudié, il induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) localement une émission de lumière (cathodoluminescence). En analysant cette lumière, caractéristique du matériau sondé, on peut étudier finement ses propriétés optiques (cf. figure). De plus, en utilisant les spécificités de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) électron-matière, il est possible d'étudier le temps de vie (La vie est le nom donné :) des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) en fonction de la distance à la surface du pixel. Cela permet de caractériser l'efficacité du matériau à l'échelle nanométrique. Grâce à ce dispositif, les chercheurs ont étudié des μLED à base de nitrure d'éléments de la colonne III du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique et ils ont pu quantifier la diminution de l'efficacité aux abords d'un flanc de gravure. En couplant leur méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de...) avec un modèle de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...), ils ont non seulement montré qu'une passivation adaptée améliore notablement l'efficacité des μLED mais ils ont aussi quantifié cette amélioration. Ces résultats sont publiés dans la revue ACS Photonics.

La mesure de l'efficacité locale des μLED réalisée à la suite des premières étapes de fabrication en salle blanche ouvre de nombreuses perspectives. D'une part, il n'est plus nécessaire de réaliser l'intégralité du couteux processus technologique pour estimer l'impact d'une passivation de surface. D'autre part, cela donne accès à une métrique qui permet de comparer efficacement les différentes techniques de passivation. Enfin, cette technique, qui fonctionne de l'UV lointain jusqu'au proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) avec une résolution temporelle de l'ordre de 50 ps et une résolution spatiale de l'ordre de 50 nm, pourra être adaptée dans le futur à d'autres nanostructures.

Référence:
Surface Recombinations in III-Nitride Micro-LEDs Probed by Photon-Correlation Cathodoluminescence.
Sylvain Finot, Corentin Le Maoult, Etienne Gheeraert, David Vaufrey, and Gwénolé Jacopin,ACS Photonics, publié le 07 décembre 2021.
DOI: 10.1021/acsphotonics.1c01339
Article disponible sur la base d'archives ouverte HAL.

Contacts:
- Gwénolé Jacopin - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut Néel - gwenole.jacopin at neel.cnrs.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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