Pour la première fois, un groupe de recherche international a révélé le mécanisme central qui limite la teneur en indium (In) dans le nitrure d'indium et de gallium ((In, Ga)N) couches minces - le matériau clé pour les diodes électroluminescentes bleues (LED). L'augmentation de la teneur en In dans les puits quantiques InGaN est l'approche courante pour déplacer l'émission des LED à base de III-Nitride vers le vert et, en particulier, partie rouge du spectre optique, nécessaire pour les appareils RVB modernes. Les nouvelles découvertes répondent à la question de recherche de longue date :pourquoi cette approche classique échoue-t-elle, quand on essaie d'obtenir des LED vertes et rouges efficaces à base d'InGaN ?

Malgré les progrès dans le domaine des LED vertes et des lasers, les chercheurs n'ont pas pu dépasser la limite de 30 % de teneur en indium dans les films. La raison n'en était pas claire jusqu'à présent :est-ce un problème de trouver les bonnes conditions de croissance ou plutôt un effet fondamental qui ne peut être surmonté ? Maintenant, une équipe internationale d'Allemagne, La Pologne et la Chine ont apporté un éclairage nouveau sur cette question et révélé le mécanisme responsable de cette limitation.

Dans leur travail, les scientifiques ont essayé de pousser la teneur en indium à la limite en faisant croître des couches atomiques uniques d'InN sur GaN. Cependant, indépendant des conditions de croissance, les concentrations d'indium n'ont jamais dépassé 25% - 30% - un signe clair d'un mécanisme fondamentalement limitant. Les chercheurs ont utilisé des méthodes de caractérisation avancées, tels que le microscope électronique à transmission à résolution atomique (MET) et la diffraction électronique à haute énergie à réflexion in situ (RHEED), et découvert que, dès que la teneur en indium atteint environ 25 %, les atomes dans le (In, La monocouche Ga)N est disposée selon un motif régulier - une seule colonne atomique d'In alterne avec deux colonnes atomiques d'atomes de Ga. Des calculs théoriques complets ont révélé que l'ordre atomique est induit par une reconstruction de surface particulière :les atomes d'indium sont liés à quatre atomes voisins, au lieu des trois attendus. Cela crée des liaisons plus fortes entre les atomes d'indium et d'azote, lequel, d'une part, permet d'utiliser des températures plus élevées pendant la croissance et fournit un matériau de meilleure qualité. D'autre part, la commande fixe la limite du contenu en In de 25%, qui ne peut être surmonté dans des conditions de croissance réalistes.

"Apparemment, un goulot d'étranglement technologique entrave toutes les tentatives de décalage de l'émission du vert vers les régions jaune et rouge des spectres. Par conséquent, de nouvelles voies originales sont nécessaires de toute urgence pour surmonter ces limitations fondamentales", déclare le Dr Tobias Schulz, scientifique au Leibniz-Institut für Kristallzüchtung; "par exemple, croissance de films d'InGaN sur des pseudo-substrats d'InGaN de haute qualité qui réduiraient la contrainte dans la couche en croissance."

Cependant, la découverte de l'ordre peut aider à surmonter les limitations bien connues du système de matériaux InGaN :localisation des porteurs de charge due aux fluctuations de la composition chimique de l'alliage. Écurie en croissance ordonnée (En, Les alliages Ga)N à composition fixe à haute température pourraient ainsi améliorer les propriétés optiques des dispositifs.