Исследователи обнаружили физический дефект в полупроводнике, который считался невозможным

• Исследователи показывают совершенно новую перспективу разработки светоизлучающих устройств.
• Из бриллиантов можно сделать световые приборы в 100 раз ярче, чем существующие светодиоды и лазеры.
• Это может позволить изготавливать источники света для Li-Fi и передатчики для квантового Интернета.

Многие полупроводниковые устройства работают за счет создания высокой плотности неравновесных носителей под действием напряжения смещения. Такие носители (электроны и дырки) способны рекомбинировать или изменять свойства полупроводника, и это явление можно использовать для модуляции света.

Интенсивность света пропорциональна концентрации электронов и дырок и скорости их рекомбинации. Современные устройства, такие как лазеры и светодиоды (используемые в высокоскоростном Интернете и лазерных принтерах), полагаются на этот процесс.

Однако не существует полупроводника, который мог бы обеспечить достаточную концентрацию электронов и дырок. В 1960-х годах ученые придумали решение - гетероструктуры, содержащие два или более полупроводников.

В таких гетероструктурах полупроводник зажат между двумя полупроводниками с большей шириной запрещенной зоны. Таким образом, концентрация электронов и дырок в среднем слое может быть увеличена до достаточно высокого уровня за счет приложения напряжения прямого смещения. Этот эффект называется суперинекция . , а так производятся современные светодиоды и лазер.

Чтобы создать жизнеспособную гетероструктуру, важно выбирать полупроводники с таким же периодом кристаллической решетки. Это приводит к меньшему количеству дефектов на границе раздела между полупроводником и, следовательно, к более яркому источнику света.

Эти гетероструктуры труднее изготовить по сравнению с гомоструктурами (из одного полупроводника). В течение многих лет ученые пытались использовать гомоструктуры для создания источников света, но пока не добились успеха.

Суперинъекция в гомоструктурах

Недавно исследователи Московского физико-технического института опубликовали статью, в которой описали совершенно новую перспективу разработки светоизлучающих устройств.

В статье показано, что суперинжекцию можно осуществить с помощью всего одного полупроводника. И самое лучшее, что это можно сделать, используя хорошо известные, уже доступные полупроводники.

Ссылка:IOPScience | DOI:10.1088 / 1361-6641 / ab0569 | МФТИ

В настоящее время полупроводники кремния и германия используются для создания источников яркого света, которые поддерживают суперинжекцию при криогенных температурах. Однако в случае нитрида галлия и алмаза сильная суперинжекция могла произойти при комнатной температуре. Их эффект можно использовать для производства оборудования для массового потребителя.

Иллюстрация гомо- и гетероструктур | Предоставлено:МФТИ

Суперинжекция алмазов может привести к образованию в 10 000 раз более высоких концентраций, чем предполагалось в конечном итоге. Следовательно, алмазы можно использовать как основу для ультрафиолетовых светодиодов, которые в тысячи раз ярче, чем самые оптимистичные предыдущие расчеты. Более того, его действие до 100 раз сильнее, чем у существующих полупроводниковых лазеров и светодиодов на основе гетероструктур.

Приложения

Исследование позволяет инжектировать электроны с высокой плотностью в большой объем, повышая эффективность инжекции электронов, что позволяет резко увеличить яркость однофотонных источников и светодиодов на основе алмаза.

По словам исследователей, суперинжекция может происходить в различных полупроводниках, от 2D-материалов до обычных широкозонных полупроводников.

Прочтите:Существующие лазерные технологии достаточно сильны, чтобы привлечь инопланетян на расстоянии 20000 световых лет

Это может позволить производить высокоэффективные фиолетовые, ультрафиолетовые, белые и синие светодиоды, а также источники света для Li-Fi (оптическая беспроводная связь), оптические инструменты для ранней диагностики заболеваний, передатчики для квантового Интернета и новые виды лазеров. .