Une équipe de recherche de l'Université de Xiamen a démontré expérimentalement que l'utilisation d'une structure hexagonale en forme de mesa permet d'améliorer significativement les performances des microdiodes électroluminescentes (DEL) vertes à base de nitrure d'indium-gallium (InGaN). Publiée dans la revue *Optics Express*, volume 33, page 42747, 2025, cette étude détaille comment l'optimisation de la géométrie de la mesa de la microDEL permet de résoudre les problèmes d'uniformité du courant et d'améliorer l'efficacité photoélectronique, un point crucial pour les technologies d'affichage et de communication de nouvelle génération. La mesa, ou surface émettrice de lumière (SEL), est la partie surélevée de la microDEL qui constitue l'élément central de l'émission de lumière.
1. Conception de la recherche : Comparaison de trois structures de mesa et avantages des structures hexagonales
Cette étude a comparé trois structures de mésa : circulaire, carrée et hexagonale. Toutes les structures ont été fabriquées à partir de matériaux multicouches de nitrure d’indium-gallium/nitrure de gallium (InGaN/GaN) cultivés sur des substrats de saphir structurés par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD).
La mesa hexagonale, avec ses six sommets uniformément répartis, permet trois optimisations clés :
* Il raccourcit la distance maximale entre l'électrode p centrale et le bord de la mesa, améliorant ainsi l'uniformité de la diffusion du courant dans la région active ;
* Il atténue le problème d'accumulation de courant dans les coins que l'on rencontre fréquemment dans les mesas carrées, réduisant ainsi les régions à faible densité de courant qui entraînent une dégradation des performances ;
* Il possède un rapport périmètre/surface d'électrode (P/A) équilibré, optimisant l'efficacité d'injection des porteurs tout en supprimant la recombinaison parasite.
2. Valeur applicative : principaux scénarios et importance technologique des LED vertes miniatures
Les LED vertes miniatures fonctionnant dans la plage de sensibilité maximale de l'œil humain sont des dispositifs clés dans des domaines tels que les écrans couleur haute fidélité, les systèmes de réalité augmentée/réalité virtuelle (RA/RV), la photothérapie et la communication par la lumière visible.
L'intérêt principal de cette recherche réside dans la démonstration que l'optimisation géométrique des structures à l'échelle micrométrique permet d'obtenir des améliorations quantifiables des performances sans modifier la composition des matériaux. La structure hexagonale mésa, grâce à sa capacité supérieure de diffusion du courant, ses pertes non radiatives réduites et son rendement quantique externe (EQE) plus élevé, s'avère une solution structurelle très prometteuse pour les micro-écrans et les LED de communication à haut rendement, s'inscrivant parfaitement dans la tendance du secteur vers des dispositifs photoniques miniaturisés, à haute luminosité et à longue durée de vie.
3. Données expérimentales : Quantification des avantages de performance des structures hexagonales
Lors des tests de performances électriques, la tension de mise en marche des trois dispositifs structurels est restée constante autour de 3,3 V, mais des différences significatives ont été observées à des tensions de polarisation élevées :
À une tension de polarisation de 10 V, la densité de courant de la LED hexagonale a atteint 285,8 A/cm², dépassant largement celle de la mesa carrée (199,9 A/cm²) et circulaire (164,7 A/cm²) ; ces données indiquent que l'effet de diffusion de courant optimisé améliore directement l'efficacité d'injection des porteurs.
Lorsque le courant augmente, la longueur d'onde d'émission de la LED hexagonale présente un décalage vers le bleu significatif de 2,9 nm, ce qui signifie que la distribution plus uniforme des porteurs réduit l'effet de confinement quantique.
Lors des tests de performances optiques, les avantages de la structure hexagonale sont devenus encore plus évidents :
À une densité de courant d'injection de 200 A/cm², la densité de puissance de sortie de la micro-LED hexagonale a atteint 4,94 W/cm², dépassant celle des structures circulaires (3,86 W/cm²) et carrées (3,14 W/cm²) ;
Son efficacité quantique externe (EQE) a atteint un pic de 19,9 % à une densité de courant de 10,41 A/cm², supérieure à celle des dispositifs circulaires (16,9 %) et carrés (17,6 %) ;
En tant qu'indicateur clé de la dégradation de l'efficacité avec le courant, le taux de décroissance EQE de la structure hexagonale n'était que de 48,2 %, inférieur à celui des structures circulaires (52,4 %) et carrées (56,1 %), démontrant ainsi ses performances supérieures en matière d'équilibre thermique et d'équilibre de recombinaison électron-trou.
