En réduisant l'épaisseur des puits quantiques jusqu'à une seule couche atomique et en ajustant leur composition, l'équipe a obtenu un décalage spectral de l'émission jusqu'à 235 nm, avec des rendements quantiques internes dépassant 50 % à cette longueur d'onde à température ambiante. L'étude montre que cette amélioration de l'efficacité provient d'une forte localisation des porteurs dans le plan des couches, qui limite leur diffusion vers les défauts non radiatifs et favorise la recombinaison radiative.
Dans les émetteurs UV profonds à base de nitrures, la polarisation de la lumière émise est un facteur clé qui détermine l'efficacité d'extraction de la lumière. Dans ce travail, des longueurs d'onde d'émission plus courtes sont obtenues grâce à des puits quantiques ultraminces à forte teneur en gallium. Cette approche permet de maintenir une polarisation transverse électrique (champ électrique parallèle à la surface de l'échantillon) jusqu'à des longueurs d'onde plus courtes que dans les structures conventionnelles riches en aluminium, où la polarisation transverse magnétique (champ électrique perpendiculaire à la surface) domine généralement. Par conséquent, cette conception devrait améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière dans des dispositifs pratiques.
Figure : (Gauche) Évolution spectrale de l'émission des puits quantiques GaN et AlGaN en fonction de l'épaisseur du puits quantique. La réduction de l'épaisseur jusqu'au régime d'une seule couche atomique (1 ML) provoque un fort décalage vers le bleu de l'émission, permettant d'atteindre des longueurs d'onde dans l'UV profond jusqu'à 235 nm. (Centre) Diagrammes polaires de l'intensité de luminescence illustrant les caractéristiques de polarisation de l'émission pour des échantillons représentatifs émettant à différentes longueurs d'onde. (Droite) Image de microscopie électronique en transmission de puits quantiques de GaN d'une épaisseur d'une seule couche atomique (1 ML).
©CEA-Irig/PHELIQS/NPSC
Une comparaison systématique avec d'autres nanostructures nitrures élaborées dans le même réacteur montre que les puits quantiques ultraminces surpassent à la fois les boîtes quantiques et les hétérostructures en nanofils pour des émissions inférieures à 240 nm, soulignant leur potentiel pour les sources UVC de nouvelle génération.
Ces résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement de sources UV compactes et sans mercure destinées à des applications environnementales et biomédicales.