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nouveau modèle de répartition et de transport des porteurs dans les semi-conducteurs désordonnés

par Anne-Marie - publié le , mis à jour le

Les diodes électroluminescentes (LED) sont aujourd’hui utilisées de manière croissante, et dans le cas où elles seraient seules employées pour notre éclairage en atteignant un rendement de conversion de 80%, pourraient économiser jusqu’à 10% de la facture électrique mondiale. Cependant, les mécanismes physiques à l’œuvre dans leur fonctionnement sont le sujet d’intenses débats, tout comme l’origine de leurs limitations. La recombinaison non radiative des porteurs de charge, les champs électriques intenses dus aux effets piézoélectriques dans ces matériaux et la diminution du rendement quantique externe avec le courant (« efficiency droop ») contribuent tous à une réduction significative du rendement lumineux sortant par rapport aux limites théoriques de la conversion électroluminescente. Ces effets complexes sont en outre fortement modifiés par l’inhomogénéité intrinsèque de composition des alliages InxGa1-xN présents dans la région active de la LED sous la forme de puits quantiques. Ce désordre présent à l’échelle nanométrique engendre notamment une localisation des porteurs de charges qui peut altérer considérablement les performances de ces structures en terme d’émission lumineuse (leur rendement quantique). Pour prendre en compte ce phénomène dans les simulations numériques, il fallait jusque-là résoudre de manière couplée l’équation de Schrödinger, l’équation de Poisson et les équations classiques du transport dans les semi-conducteurs. Pour une structure réaliste, la simulation d’un point de fonctionnement pouvait représenter plusieurs jours voire plusieurs semaines de temps calcul.
Une collaboration entre deux groupes du laboratoire, Electrons-Photons-Surfaces et Physique de l’irrégularité, menée au sein d’un projet en partenariat avec l’Université Nationale de Taïwan et l’Université de Californie à Santa Barbara, a abouti au développement d’un modèle fondamentalement nouveau de répartition et de transport des porteurs dans les semi-conducteurs désordonnés. Ce modèle, intermédiaire entre celui classique dit « de dérive-diffusion » et des modèles faisant appel à la résolution de l’équation de Schrödinger, permet de simuler en quelques minutes ou quelques heures des structures réalistes larges de plusieurs dizaines de microns, tout en tenant compte des effets quantiques à des échelles nanométriques. Il fournit pour la première fois un outil de compréhension du rôle du désordre nanométrique dans ces dispositifs et ouvre ainsi la voie à leur design et leur optimisation, en d’autres termes, à une réelle « ingénierie du désordre ». Ces travaux ont été publiés sous la forme d’une série de trois articles consécutifs dans Physical Review B en avril 2017.

1 M. Filoche, M. Piccardo, Y.-R. Wu, C.-K. Li, C. Weisbuch, S. Mayboroda, “Localization landscape theory of disorder in semiconductors I : Theory and modeling”, Phys. Rev. B 95, 144204 (2017).
doi:10.1103/PhysRevB.95.144204

2 M. Piccardo, C.-K. Li, Y.-R. Wu, P. Petroff, J. S. Speck, B. Farrell, B. Yonkee, E. Young, S. Mayboroda, M. Filoche, L. Martinelli, J. Peretti, C. Weisbuch, “Urbach tails of disordered InxGa1-xN quantum well layers : Experiments and theory”, Phys. Rev. B, 95, 144205 (2017). doi:10.1103/PhysRevB.95.144205

3 C.-K. Li, M. Piccardo, L.-S. Lu, S. Mayboroda, L. Martinelli, J. S. Speck, C. Weisbuch, M. Filoche, Y.-R. Wu, “Localization landscape theory of disorder in semiconductors III : Application to carrier transport and recombination in light emitting diodes”, Phys. Rev. B, 95, 144206 (2017).
doi:10.1103/PhysRevB.95.144206

En haut : Géométrie et composition d’une structure à puits quantique étudiée grâce au nouveau modèle.
En bas : la théorie du paysage de localisation fournit deux cartes des régions de localisation respectives des électrons et des trous, ce qui permet ensuite d’estimer leur recouvrements et d’en déduire avec précision les taux de recombinaison radiatifs et non radiatifs.