Dans un four à 1100 °C, où l'aluminium fond, repose un sandwich de couches semi-conductrices d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. On le sort, on braque un laser dessus, et les couches s'illuminent en bleu, comme si de rien n'était. Ce n'est pas un tour de passe-passe, mais le résultat de travaux sur des puits quantiques : des couches minces de nitrure d'indium-gallium où les électrons sont piégés, tels des passagers dans un ascenseur entre deux étages. On pensait auparavant qu'un tel chauffage détruisait ces couches : les atomes d'indium se dispersaient, la lumière s'éteignait. Les physiciens de Manchester ont enfilé à ces puits un gilet pare-balles en nitrure d'aluminium et ont vérifié s'il tenait bon.

Le gilet pare-balles s'est révélé être non pas un simple bouclier, mais un bouclier intelligent. La couche d'AlN de 56 nanomètres d'épaisseur (20 fois plus fine qu'un cheveu humain) a empêché l'aluminium de s'infiltrer et de se mélanger à l'indium. Après chaque recuit de 500 à 1100 °C, par pas de 100 °C et avec un maintien de 60 secondes, l'échantillon brillait à la même longueur d'onde de 455 nm. Mieux : la largeur de la raie d'émission s'est même légèrement rétrécie, ce qui indique une amélioration de l'homogénéité de la composition. L'intensité lumineuse a d'abord chuté, puis a de nouveau augmenté : les défauts qui éteignaient la luminescence ont été recuits et ont disparu.

Le plus surprenant s'est produit sous faible excitation après le recuit à 1000 °C. L'efficacité d'émission des puits quantiques a augmenté d'un facteur 30 : de 2,18 % à 66,02 %. La modélisation de la cinétique des porteurs a montré que des zones nanoscopiques riches en indium se sont formées à l'intérieur des puits. Elles agissent comme un bouclier thermodynamique : elles capturent les électrons et les trous, les empêchant de rencontrer des défauts et de se perdre sans émettre de lumière. Le temps de vie équivalent des porteurs n'a presque pas changé : 9,88 ns après 500 °C et 9,89 ns après 1000 °C sous excitation focalisée. Les puits n'ont donc pas simplement survécu : ils fonctionnent mieux.

Le profil de composition, obtenu par spectrométrie de masse d'ions secondaires, a confirmé que les cinq puits quantiques se sont maintenus avec une période de 11,68 nm et sans diffusion notable d'aluminium vers l'intérieur. C'est la première démonstration que la combinaison d'une fine couche d'AlN et d'un recuit rapide permet de préserver des puits quantiques InGaN même à 1100 °C, là où l'on attendait auparavant une dégradation catastrophique. Les données obtenues sur la cinétique des porteurs fournissent une base quantitative pour la conception de dispositifs électroluminescents résistants à la chaleur.

Le gilet pare-balles en nitrure d'aluminium a passé l'épreuve du feu. Les diodes électroluminescentes et les lasers à base de nitrure de gallium peuvent désormais être envoyés plus hardiment vers les étapes de fabrication à haute température, sans craindre de perdre leur couche active. Et les puits quantiques, qui ont survécu au cœur d'un volcan, continuent de briller en bleu, tels des passagers d'ascenseur qui non seulement sont montés jusqu'au dernier étage, mais en sont sortis reposés.