Wetenschappers onthullen eerder onmogelijke halfgeleiderdefect: diamant 100x helderder dan LEDs/lasers

Onderzoekers tonen een heel nieuw perspectief op het ontwerpen van lichtemitterende apparaten. Diamanten kunnen gebruikt worden om 100 keer helderdere lichtapparaten te maken dan bestaande LEDs en lasers. Het kan de fabricatie van lichtbronnen voor Li-Fi en zenders voor het kwantuminternet mogelijk maken.

Superinjectie in homostructuren

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

De intensiteit van licht is evenredig aan de concentratie van elektronen en gaten en hoe snel ze recombineren. Moderne apparaten zoals lasers en LEDs (gebruikt in high-speed internet en laserprinters) vertrouwen op dit proces.

Echter, er bestaat geen halfgeleider die voldoende concentratie van elektronen en gaten kan leveren. In de jaren '60 bedachten wetenschappers een oplossing — heterostructuren die twee of meer halfgeleiders bevatten.

In dergelijke heterostructuren wordt een halfgeleider ingeslagen tussen twee halfgeleiders met grotere bandgaten. Op deze manier kan de concentratie van elektronen en gaten in de middenlaag verhoogd worden tot een voldoende hoog niveau door een forward biasspanning toe te passen. Dit effect heet superinjectie, en zo worden moderne LEDs en lasers gemaakt.

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

Deze heterostructuren zijn moeilijker te fabriceren dan homostructuren (gemaakt van enkele halfgeleider). Jaar lang hebben wetenschappers geprobeerd homostructuren te gebruiken om lichtbronnen te bouwen, maar ze hebben nog geen succes behaald.

Superinjectie in homostructuren

Onlangs publiceerden onderzoekers van het Moskou Instituut voor Fysica en Technologie een paper waarin ze een heel nieuw perspectief op het ontwerpen van lichtemitterende apparaten beschreven.

Het paper toont aan dat superinjectie bereikt kan worden met slechts één halfgeleider. En het beste is dat het gedaan kan worden met bekende, al beschikbare halfgeleiders.

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

Op dit moment worden silicium en germanium halfgeleiders gebruikt om heldere lichtbronnen te maken, die superinjectie ondersteunen bij cryogene temperaturen. Echter, in het geval van galliumnitraat en diamant, kan sterke superinjectie optreden bij kamertemperatuur. Hun effect kan benut worden om massamarktapparatuur te produceren.

Illustratie van homo- en heterostructuren | Credit: MIPT

Superinjectie in diamanten kan 10.000 keer hogere concentraties genereren dan wat verondersteld werd uiteindelijk mogelijk te zijn. Daarom kunnen diamanten gebruikt worden als basis voor ultraviolette lichtemitterende diodes duizenden keer helderder dan de meest optimistische eerdere berekeningen. Bovendien is het effect tot 100 keer sterker dan bestaande halfgeleiderlasers en LEDs gebaseerd op heterostructuren.

Toepassingen

De studie maakt het mogelijk om een hoge dichtheid elektronen in een groot volume te injecteren, wat de efficiëntie van elektroneninjectie verbetert, wat de helderheid van enkel-fotonbronnen en lichtemitterende diodes gebaseerd op diamant drastisch kan verhogen.

Volgens de onderzoekers kan superinjectie optreden in diverse halfgeleiders, variërend van 2D-materialen tot conventionele wide-bandgap halfgeleiders.

Dit kan de fabricatie mogelijk maken van hoog-efficiënte violet, ultraviolet, witte en blauwe LEDs, samen met lichtbronnen voor Li-Fi (optische draadloze communicatie), optische instrumenten voor vroege ziekte-diagnostiek, zenders voor het kwantuminternet, en nieuwe soorten lasers.