Les hétérostructures de nitrure, empilements de différents semi-conducteurs à base de gallium, d'aluminium ou d'indium, sont aujourd'hui au cœur de nombreuses technologies comme les LED, les lasers UV ou encore les transistors haute puissance. En jouant sur l'agencement de ces matériaux à l'échelle nanométrique, il est possible de contrôler le comportement des électrons, et donc leurs propriétés optiques et électroniques.
Des chercheurs du CEA-Irig ont développé une approche expérimentale originale pour observer simultanément la structure interne et les propriétés lumineuses de micro-fils InGaN/GaN destinés à l'optoélectronique. Ces structures micrométriques en forme de fils constituées de couches empilées de nitrure d'indium-gallium et de nitrure de gallium ont la capacité d'émettre, de détecter ou de moduler la lumière. L'objectif était de mieux comprendre comment les contraintes mécaniques présentes dans ces structures influencent leur émission lumineuse, une étape clé pour optimiser les performances des futures générations de LED et de détecteurs optoélectroniques.
Les chercheurs ont utilisé une sonde de rayons X extrêmement fine sur la ligne française BM32 de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Ils ont ainsi exploité deux méthodes complémentaires :
- La micro-diffraction Laue, qui utilise des rayons X de différentes énergies pour mesurer localement l'orientation des cristaux et les déformations de leur réseau atomique.
- La luminescence excitée par rayons X (XEOL), qui consiste à exciter le matériau avec des rayons X puis à analyser la lumière qu'il réémet.
Cette combinaison a permis de cartographier avec une précision subnanométrique à la fois les déformations internes et les propriétés optiques des micro-fils.
Les chercheurs ont notamment reconstruit le tenseur déviatorique, qui décrit les distorsions locales du réseau atomique. La précision de la mesure (meilleure que 9 × 10⁻⁵) et l'exactitude (~4 × 10⁻⁴) ont été vérifiées grâce au substrat de silicium servant de référence. Grâce à une analyse automatisée de milliers d'images de diffraction et de spectres lumineux, ils ont également souligné une variation progressive de la teneur en indium dans les puits quantiques. Ces puits quantiques sont de très fines couches semi-conductrices dans lesquelles les électrons sont confinés, ce qui modifie leurs niveaux d'énergie et influence directement la couleur de la lumière émise. La concentration en indium diminue du sommet vers la base de la coquille (région des puits quantiques), passant d'environ 10 % à 8 %, ce qui entraîne un déplacement de l'émission lumineuse du bleu vers l'ultraviolet.
Cette expérimentation, unique à l'échelle internationale, ouvre la voie à une caractérisation rapide et non destructive de nanostructures complexes. Elle pourrait ainsi contribuer à une conception optimisée de futurs dispositifs ultra-efficaces.