Diodes LED en silicium : émission efficiente dépendante du spin

Par Gaëlle Degrez / Publié le 15 mars 2018

Des physiciens ont démontré la possibilité de réaliser des diodes LED en silicium efficientes en utilisant une méthode de fabrication originale. Le dispositif réalisé est très simple et permet d’obtenir une luminescence à la fois forte et contrôlable à température ambiante par un champ magnétique.


Schéma et images infrarouge de diodes LED en silicium polarisées à I=20mA à température ambiante pour différents niveaux de dopage. Magnéto-électroluminescence à T=150 K et I=5 mA. © C2N / F. Chiodi

Dans un semi-conducteur parfait, le retour à l’équilibre des électrons portés dans un état excité se fait idéalement par émission de lumière, permettant ainsi de fabriquer des diodes électroluminescentes. Pour ce qui est du silicium, matériau archétype et incontournable de l’industrie de la microélectronique, ce mécanisme est interdit par la nature de sa bande interdite : l’énergie est tout simplement perdue par dissipation, privant de ce fait de nombreuses fonctionnalités les circuits électroniques à base de silicium.

Récemment, des physiciens et physiciennes du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud) et du Laboratoire de Physique des solides – LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud), en collaboration avec le groupe Optoelectronics de l’Université de Cambridge, ont relevé ce défi et réussi à faire émettre de la lumière à un dispositif tout silicium.

Ils ont démontré la possibilité de réaliser des diodes électroluminescentes en silicium efficientes grâce à une méthode de fabrication originale basée sur le dopage laser GILD (Gas Immersion Laser Doping). Outre l’observation du mécanisme d’électroluminescence, une spectaculaire augmentation de plus de 300% de l’intensité émise à température ambiante a été constatée lorsque le dispositif est placé dans un champ magnétique judicieusement orienté. Cet aspect a été rendu possible grâce au dopage laser, qui permet de fabriquer des dispositifs ultra-dopés avec une géométrie planaire bien définie, prérequis indispensable pour pouvoir aligner champ magnétique et électrique dans ces LEDs et s’affranchir ainsi des effets de magnétorésistance classiques.

Ces travaux, publiés dans la revue Nature Communications, ouvrent des perspectives nouvelles et amènent un nouveau système versatile pour réaliser une électronique quantique de spin à grande échelle.

Référence

Room temperature magneto-optic effect in silicon light-emitting diodes
F. Chiodi, S.L. Bayliss, L. Barast, D. Débarre, H. Bouchiat, R.H. Friend et A.D. Chepelianskii
Nature Communications (Janvier 2018)
DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-017-02804-6

Contact : Francesca Chiodi, Maître de conférences Université Paris-Sud
francesca.chiodi @ c2n.upsaclay.fr

Informations complémentaires
•    Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud) - https://www.c2n.universite-paris-saclay.fr/fr/
•    Laboratoire de Physique des solides – LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud) - www.lps.u-psud.fr/
•    Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK

Dernière modification le 15 mars 2018