Des physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, du Laboratoire de Physique des Solides, et de l'Université de Cambridge 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.
La recombinaison dépendante du spin, où seul l’état singlet d’une paire électron-trou peut se recombiner radiativement, est un outil de choix pour étudier le spin dans les matériaux à faible couplage spin-orbite, tels que les semiconducteurs organiques ou le silicium. Toutefois, dans le silicium la recombinaison de paires électron-trou est fortement improbable du fait de la structure de bande à gap indirect de ce semiconducteur. Malgré l’intérêt applicatif du silicium, réaliser une diode électroluminescente (LED) efficace avec ce matériau est donc un défi de taille, et demande généralement une conception et une fabrication complexes.
Des physiciens et physiciennes du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Sud) et du Laboratoire de Physique des solides – LPS (CNRS/Université Paris-Sud), en collaboration avec le groupe Optoelectronics de l’Université de Cambridge, ont relevé ce défi. Leurs travaux, publiés dans la revue Nature Communications, montrent la possibilité de réaliser des diodes LED en silicium efficientes grâce à une méthode de fabrication originale basée sur le dopage laser GILD (Gas Immersion Laser Doping).
Une spécificité de cette technique est que les niveaux de dopage atteints sont extrêmes, ce qui intensifie l’émission dans les LEDs constituées d’une jonction entre silicium dopé en bore, silicium intrinsèque et silicium dopé en phosphore (Si:B / Si / Si:P). De plus, le dopage laser permet de conserver une géométrie planaire bien définie, nécessaire pour pouvoir aligner les champs magnétique et électrique dans les LEDs et s’affranchir ainsi des effets de magnétorésistance classiques. Sondant la recombinaison dépendante du spin dans ces LEDs en silicium, une augmentation spectaculaire de l’électroluminescence avec le champ magnétique a été mise en évidence : 100% à température ambiante et jusqu’à 300% à 150K. Les chercheurs ont montré que le modèle proposé décrit ce phénomène par une recombinaison radiative dépendante du spin de paires électron-trou faiblement liées. Par cette approche optoélectronique, il est ainsi possible d’étudier l’impact de la statistique de spin sur l’émission luminescente du silicium qui apparaît comme un candidat de premier plan pour une électronique quantique de spin à grande échelle.
Figure : Schéma et images infrarouge de Si-LEDs polarisés à I=20mA à température ambiante pour différents niveaux de dopage. Magnéto-EL à T=150 K et I=5 mA. © C2N / F. Chiodi
En savoir plus
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 chercheur
- Francesca Chiodi, Maître de conférences Université Paris-Sud au C2N
Informations complémentaires
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud)
- Laboratoire de Physique des solides – LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud)
- Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK
