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半导体科学家发现被认为不可能的效应

图为homo和heter结构。 图片来源:MIPT

被称为超注射的物理效应是现代发光二极管(LED)和激光的基础。 几十年来,人们认为这种效应仅发生在半导体异质结构中 - 即,由两种或更多种半导体材料组成的结构。 来自莫斯科物理科学与技术研究所的研究人员发现,在由单一材料制成的同质结构中,可以进行超注射。 这开辟了光源发展的全新前景。 该论文于2月21日在“ 半导体科学与技术 ”杂志上发表。

半导体光源,例如激光器和LED,是现代技术的核心。 它们可以实现激光打印机和高速互联网。 但仅仅60年前,没有人会想到半导体被用作明亮光源的材料。 问题是为了产生光,这种装置需要电子和空穴 - 任何半导体中的自由载流子 - 重新组合。 电子和空穴的浓度越高,它们重新组合的次数越多,使光源更亮。 然而,长期以来,不能制造半导体器件来提供足够高浓度的电子和空穴。

该解决方案于1970年代由Zhores Alferov和Herbert Kroemer发现。 他们提议使用由两个或多个互补半导体组成的异质结构或“三明治”结构,而不仅仅是一个。 如果将半导体放置在具有较宽带隙的两个半导体之间并施加正向偏压,则中间层中的电子和空穴的浓度可以达到比外层中的数值高几个数量级的值。 这种效应称为超级注入,是现代半导体激光器和LED的基础。 它的发现使Alferov和Kroemer在2000年获得了诺贝尔物理学奖。

然而,两个任意半导体不能形成可行的异质结构。 半导体需要具有相同的晶格周期。否则,两种材料之间界面处的缺陷数量将太高,并且不会产生光。 在某种程度上,这类似于试图将螺母拧到螺栓螺距与螺母螺距不匹配的螺栓上。 由于同构结构仅由一种材料组成,因此该装置的一部分是另一部分的自然延伸。 尽管同构结构更容易制造,但据信同构结构不能支持超注射,因此不是实际光源的可行基础。

来自莫斯科物理和技术研究所的Igor Khramtsov和Dmitry Fedyanin发现了一个发现,它彻底改变了关于如何设计发光器件的观点。 物理学家发现只用一种材料就可以实现超注射。 而且,大多数已知的半导体都可以使用。

“在硅和锗的情况下,过量注射需要低温 ,这会对效果的效用产生怀疑。但在金刚石或氮化镓中,即使在室温下也会发生强烈的超注射,”Fedyanin博士说。 这意味着该效果可用于创建大众市场设备。 根据新论文,超注射可以在金刚石二极管中产生比先前认为最终可能的高10,000倍的电子浓度。 因此,钻石可以作为紫外LED的基础,比最乐观的理论计算预测的数倍亮。 “令人惊讶的是,钻石中的超注射效果比大多数大众市场半导体LED和基于异质结构的激光所使用的强50到100倍,”Khramtsov指出。

物理学家强调,从传统的宽带隙半导体到新型二维材料 ,各种半导体应该可以进行超注射。 这开辟了设计高效蓝光,紫光,紫外和白光LED的新前景,以及光学无线通信(Li-Fi) 光源 ,新型激光器,量子互联网发射器和早期光学器件疾病诊断。

· 2019-04-27 21:37  本新闻来源自:莫斯科物理科学与技术学院,版权归原创方所有

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