Chercheurs du Groupe de recherche interdisciplinaire (IRG) sur les systèmes électroniques à basse énergie (LEES) de l'Alliance pour la recherche et la technologie Singapour-MIT (SMART), L'entreprise de recherche du MIT à Singapour, en collaboration avec le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et l'Université nationale de Singapour (NUS) ont trouvé une méthode pour quantifier la distribution des fluctuations de composition dans les puits quantiques (QW) de nitrure d'indium et de gallium (InGaN) à différentes concentrations d'indium.

Les diodes électroluminescentes (LED) InGaN ont révolutionné le domaine de l'éclairage à semi-conducteurs en raison de leur efficacité et de leur durabilité élevées, et de faibles coûts. La couleur de l'émission LED peut être modifiée en faisant varier la concentration d'indium dans le composé InGaN, donnant aux LED InGaN le potentiel de couvrir tout le spectre visible. LED InGaN avec des quantités d'indium relativement faibles par rapport au gallium, comme le bleu, vert, et LED cyan, ont connu un succès commercial important pour la communication, applications industrielles et automobiles. Cependant, LED avec des concentrations d'indium plus élevées, comme les LED rouge et orange, souffrent d'une baisse d'efficacité avec l'augmentation de la quantité d'indium.

Actuellement, les LED rouges et ambrées sont fabriquées à l'aide de phosphure d'aluminium, d'indium et de gallium (AlInGaP) au lieu d'InGaN en raison des mauvaises performances d'InGaN dans le spectre rouge et ambre causées par la baisse d'efficacité. Comprendre et surmonter la baisse d'efficacité est la première étape vers le développement de LED InGaN couvrant l'ensemble du spectre visible qui réduirait considérablement les coûts de production.

Dans un article intitulé "Déverrouiller l'origine des fluctuations de composition dans les diodes électroluminescentes InGaN", récemment publié dans la prestigieuse revue Documents d'examen physique , l'équipe a utilisé une méthode à multiples facettes pour comprendre l'origine des fluctuations de composition et leur effet potentiel sur l'efficacité des LED InGaN. La détermination précise des fluctuations de composition est essentielle pour comprendre leur rôle dans la réduction de l'efficacité des LED InGaN avec des compositions d'indium plus élevées.

« La [origine de] la baisse d'efficacité observée dans les LED InGaN à plus forte concentration d'indium est encore inconnue à ce jour, " dit le co-auteur de l'article, Professeur Silvija Gradecak du Département de science et d'ingénierie des matériaux à NUS et chercheur principal à SMART LEES. « Il est important de comprendre cette baisse d'efficacité pour créer des solutions qui sauront la surmonter. Pour ce faire, nous avons conçu une méthode capable de détecter et d'étudier les fluctuations de composition dans les QW d'InGaN pour déterminer son rôle dans la baisse d'efficacité. »

Les chercheurs ont développé une méthode à multiples facettes pour détecter les fluctuations de composition de l'indium dans les QW d'InGaN en utilisant une enquête synergique qui combine des méthodes de calcul complémentaires, caractérisation avancée à l'échelle atomique et algorithmes autonomes pour le traitement d'images.

Tara Mishra, auteur principal de l'article et SMART Ph.D. Le camarade a dit, "Cette méthode développée et utilisée dans nos recherches est d'application générale et peut être adaptée à d'autres recherches en science des matériaux où les fluctuations de composition doivent être étudiées."

"La méthode que nous avons développée peut être largement appliquée et fournir une valeur et un impact significatifs sur d'autres études de science des matériaux, où les fluctuations de composition atomistique jouent un rôle important dans la performance des matériaux, " a déclaré le Dr Pieremanuele Canepa, co-auteur de l'article et chercheur principal à SMART LEES et également professeur adjoint du département de science et génie des matériaux, et Département de génie chimique et biomoléculaire de la NUS. « La compréhension de la distribution atomique d'InGaN à différentes concentrations d'indium est essentielle au développement d'écrans couleur de prochaine génération utilisant la plate-forme LED InGaN. »

La recherche a révélé que les atomes d'indium sont distribués de manière aléatoire dans un InGaN à teneur en indium relativement faible. D'autre part, une séparation de phase partielle est observée dans l'InGaN à plus forte teneur en indium, où les fluctuations de composition aléatoires sont concomitantes avec des poches de régions riches en indium.

Les résultats ont fait progresser la compréhension de la microstructure atomique de l'InGaN et de son effet potentiel sur les performances des LED, ouvrant la voie à de futures recherches pour déterminer le rôle des fluctuations de composition dans la nouvelle génération de LED InGaN et des stratégies de conception pour empêcher la dégradation de ces dispositifs.