Onderzoekers ontdekken een fysiek defect in halfgeleider dat onmogelijk werd geacht

• Onderzoekers laten een geheel nieuw perspectief zien op het ontwerpen van lichtgevende apparaten.
• Diamanten kunnen worden gebruikt om apparaten met 100 keer helderder licht te maken dan bestaande LED's en lasers.
• Het zou de fabricage van lichtbronnen voor Li-Fi en zenders voor het kwantuminternet mogelijk maken.

Veel halfgeleiderinrichtingen werken door het creëren van een hoge dichtheid van niet-evenwichtsdragers onder een voorspanning. Dergelijke dragers (elektronen en gaten) zijn in staat om de eigenschappen van de halfgeleider te recombineren of te veranderen, en dit fenomeen kan worden benut voor lichtmodulatie.

De intensiteit van licht is evenredig met de concentratie van elektronen en gaten en hoe snel ze recombineren. Moderne apparaten zoals lasers en LED's (gebruikt in snel internet en laserprinters) vertrouwen op dit proces.

Er bestaat echter geen halfgeleider die voor voldoende concentratie van elektronen en gaten kan zorgen. In de jaren zestig kwamen wetenschappers met een oplossing:heterostructuren die twee of meer halfgeleiders bevatten.

In dergelijke heterostructuren is een halfgeleider ingeklemd tussen twee halfgeleiders met grotere bandafstanden. Op deze manier kan de concentratie van elektronen en gaten in de middelste laag worden verhoogd tot een voldoende hoog niveau door een voorwaartse voorspanning aan te leggen. Dit effect wordt superinjectie genoemd , en zo worden moderne LED's en laser gemaakt.

Om een ​​levensvatbare heterostructuur te maken, is het belangrijk om halfgeleiders te selecteren die dezelfde periode van het kristalrooster hebben. Dit resulteert in minder defecten aan het grensvlak tussen de halfgeleider en dus een helderdere lichtbron.

Deze heterostructuren zijn moeilijk te fabriceren in vergelijking met homostructuren (gemaakt van een enkele halfgeleider). Al jaren proberen wetenschappers homostructuren te gebruiken om lichtbronnen te bouwen, maar ze hebben nog geen succes geboekt.

Superinjectie in homostructuren

Onlangs publiceerden onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology een paper waarin ze een geheel nieuw perspectief op het ontwerpen van lichtgevende apparaten beschreven.

Het artikel laat zien dat superinjectie kan worden bereikt met slechts één halfgeleider. En het beste is dat het kan worden gedaan door bekende, reeds beschikbare halfgeleiders te gebruiken.

Referentie:IOPScience | DOI:10.1088/1361-6641/ab0569 | MIPT

Momenteel worden halfgeleiders van silicium en germanium gebruikt om heldere lichtbronnen te maken, die superinjectie bij cryogene temperaturen ondersteunen. In het geval van galliumnitride en diamant kan er echter sterke superinjectie optreden bij kamertemperatuur. Hun effect zou kunnen worden gebruikt om apparatuur voor de massamarkt te produceren.

Illustratie van homo- en heterostructuren | Tegoed:MIPT

Superinjectie in diamanten kan 10.000 keer hogere concentraties genereren dan wat uiteindelijk werd verondersteld mogelijk te zijn. Daarom kunnen diamanten worden gebruikt als basis voor diodes die ultraviolet licht uitstralen, duizenden keren helderder dan de meest optimistische eerdere berekeningen. Bovendien is het effect tot 100 keer sterker dan bestaande halfgeleiderlasers en LED's op basis van heterostructuren.

Toepassingen

De studie maakt het mogelijk om een ​​hoge dichtheid van elektronen in een groot volume te injecteren, waardoor de efficiëntie van elektroneninjectie wordt verbeterd, wat de helderheid van enkelvoudige fotonbronnen en lichtemitterende diodes op basis van diamant drastisch kan verhogen.

Volgens de onderzoekers kan superinjectie voorkomen in verschillende halfgeleiders, variërend van 2D-materialen tot conventionele halfgeleiders met een brede bandgap.

Lezen:Bestaande lasertechnologie is sterk genoeg om buitenaardse wezens op 20.000 lichtjaar afstand aan te trekken

Dit zou de fabricage mogelijk maken van zeer efficiënte violette, ultraviolette, witte en blauwe LED's, samen met de lichtbronnen voor Li-Fi (optische draadloze communicatie), optische instrumenten voor vroege ziektediagnostiek, zenders voor het kwantuminternet en nieuwe soorten lasers .