Halvlederforskere opdager effekt, som man troede var umulig

En fysisk effekt kendt som superinjection ligger til grund for moderne lysemitterende dioder (LED'er) og lasere. I årtier blev denne effekt antaget kun at forekomme i halvleder-heterostrukturer - dvs. strukturer sammensat af to eller flere halvledermaterialer. Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har fundet ud af, at superinjektion er mulig i homostrukturer, som er lavet af et enkelt materiale. Dette åbner helt nye muligheder for udvikling af lyskilder. Avisen udkom 21. februar i journalen Halvledervidenskab og teknologi .

Halvleder lyskilder, såsom lasere og lysdioder, er kernen i moderne teknologi. De muliggør laserprintere og højhastighedsinternet. Men for blot 60 år siden, ingen ville forestille sig, at halvledere blev brugt som materialer til skarpe lyskilder. Problemet var, at for at generere lys, sådanne enheder kræver elektroner og huller - de frie ladningsbærere i enhver halvleder - for at rekombinere. Jo højere koncentrationen af ​​elektroner og huller er, jo oftere de kombineres igen, gør lyskilden lysere. Imidlertid, i lang tid, ingen halvlederanordning kunne fremstilles til at give en tilstrækkelig høj koncentration af både elektroner og huller.

Løsningen blev fundet i 1960'erne af Zhores Alferov og Herbert Kroemer. De foreslog at bruge heterostrukturer, eller "sandwich" strukturer, bestående af to eller flere komplementære halvledere i stedet for kun én. Hvis man placerer en halvleder mellem to halvledere med bredere båndgab og påfører en fremadgående biasspænding, koncentrationen af ​​elektroner og huller i mellemlaget kan nå værdier, der er størrelsesordener højere end dem i de ydre lag. Denne effekt, kendt som superinjektion, ligger til grund for moderne halvlederlasere og LED'er. Dens opdagelse gav Alferov og Kroemer Nobelprisen i fysik i 2000.

Imidlertid, to vilkårlige halvledere kan ikke lave en levedygtig heterostruktur. Halvlederne skal have samme periode som krystalgitteret. Ellers, antallet af defekter ved grænsefladen mellem de to materialer vil være for højt, og intet lys vil blive genereret. På en måde, dette ville svare til at prøve at skrue en møtrik på en bolt, hvis gevindstigning ikke svarer til møtrikkens. Da homostrukturer kun er sammensat af ét materiale, den ene del af enheden er en naturlig forlængelse af den anden. Selvom homostrukturer er nemmere at fremstille, man mente, at homostrukturer ikke kunne understøtte superinjektion og derfor ikke er et levedygtigt grundlag for praktiske lyskilder.

Igor Khramtsov og Dmitry Fedyanin fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi gjorde en opdagelse, der drastisk ændrer perspektivet på, hvordan lysemitterende enheder kan designes. Fysikerne fandt ud af, at det er muligt at opnå superinjektion med kun ét materiale. Hvad er mere, de fleste af de kendte halvledere kan anvendes.

"I tilfælde af silicium og germanium, superinjektion kræver kryogene temperaturer, og det sår tvivl om virkningens nytte. Men i diamant eller galliumnitrid, stærk superinjektion kan forekomme selv ved stuetemperatur, " sagde Dr. Fedyanin. Dette betyder, at effekten kan bruges til at skabe massemarkedsenheder. Ifølge det nye papir, superinjektion kan producere elektronkoncentrationer i en diamantdiode, der er 10, 000 gange højere end dem, der tidligere menes at være i sidste ende mulige. Som resultat, diamant kan tjene som grundlag for ultraviolette lysdioder tusindvis af gange lysere end hvad de mest optimistiske teoretiske beregninger forudsagde. "Overraskende nok, effekten af ​​superinjektion i diamant er 50 til 100 gange stærkere end den, der bruges i de fleste halvleder-LED'er og lasere på massemarkedet baseret på heterostrukturer, " påpegede Khramtsov.

Fysikerne understregede, at superinjektion skulle være mulig i en bred vifte af halvledere, fra konventionelle halvledere med bred båndgab til nye todimensionelle materialer. Dette åbner op for nye muligheder for at designe højeffektiv blå, violet, ultraviolet, og hvide lysdioder, samt lyskilder til optisk trådløs kommunikation (Li-Fi), nye typer lasere, sendere til kvanteinternettet, og optiske enheder til tidlig sygdomsdiagnostik.