Физики из МФТИ открыли в полупроводниках эффект, ранее считавшийся невозможным

Исследователи из МФТИ обнаружили, что суперинжекция возможна и в гомоструктурах. Это открывает принципиально новые возможности в создании световых источников.

27.2K

Выбор редакции

Так называемый эффект суперинжекции — основа современных лазеров и светодиодов. Но до настоящего момента считалось, что он возможен только в гетероструктурах, состоящих из двух и более полупроводниковых материалов.

 

Ученые из МФТИ обнаружили, что суперинжекция возможна и в гомоструктурах, то есть достаточно иметь лишь один материал. Это открывает принципиально новые возможности в создании световых источников. Работа опубликована в журнале Semiconductor Science and Technology.

 

Полупроводниковые источники света, такие как светодиоды или лазеры, являются основой современной техники. Благодаря им мы можем печатать на принтере и пользоваться высокоскоростным интернетом. Но еще более полувека назад нельзя было и представить, что возможно создавать яркие источники света на основе полупроводников.

 

Дело в том, что в таких устройствах свет генерируется во время рекомбинации электронов и дырок — основных носителей заряда в любом полупроводнике. Чем выше концентрации электронов и дырок, тем чаще они рекомбинируют и тем ярче источник света. Однако длительное время в изготавливаемых полупроводниковых приборах не удавалось получить достаточно высокой концентрации одновременно и электронов, и дырок.

 

Физики из МФТИ открыли в полупроводниках эффект, ранее считавшийся невозможным

©Пресс-служба МФТИ

 

Решение проблемы в 1960-х нашли Жорес Алферов и Герберт Кремер. Они предложили создавать полупроводниковые источники света не на основе одного материала, а на основе гетероструктур — «бутерброда» из двух и более специально подобранных полупроводников.

 

Если разместить полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны между двумя полупроводниками с большей шириной запрещенной зоны, то при пропускании тока через такую структуру в центральном полупроводнике можно создать концентрацию электронов и дырок на несколько порядков выше, чем в окружающих полупроводниках.

 

Этот эффект, названный суперинжекцией, — основа современных светодиодов и лазеров. За эти работы Алферов и Кремер получили Нобелевскую премию по физике в 2000 году.

 

Главным недостатком гетероструктур является то, что не любые два полупроводника можно соединить в одну гетероструктуру. Если у полупроводников не будут совпадать периоды кристаллических решеток, это приведет к возникновению большого числа дефектов на поверхности между полупроводниками, и полученный источник света не будет светить.

 

Это подобно попытке накрутить на болт гайку с другим шагом резьбы. Вряд ли так получится сделать, не повредив резьбу. В то же время гомоструктуры состоят из материала одного типа, а значит, одна часть устройства является естественным продолжением другой. Несмотря на это удобство, считалось, что суперинжекция в гомоструктурах невозможна, следовательно, на их основе нельзя создавать сколь-либо яркие источники света.

 

Игорь Храмцов и Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сделали открытие, позволяющее кардинальным образом изменить взгляд на принципы построения светоизлучающих устройств. Они выяснили, что для достижения суперинжекции достаточно использовать лишь один материал, причем можно использовать большинство известных полупроводников.

 

«Если в случае кремния и германия для суперинжекции требуются криогенные температуры, что ставит под вопрос ценность этого эффекта, то в таких материалах, как алмаз и нитрид галлия, сильная суперинжекция может наблюдаться уже при комнатной температуре», — отмечает Дмитрий Федянин.

 

Это означает, что данный эффект можно использовать в создании устройств для массового рынка. Согласно опубликованной статье, суперинжекция в алмазном диоде позволяет превзойти предел максимальной, как ранее считалось, концентрации электронов в алмазе в 10 тысяч раз.

 

Таким образом, на основе алмаза можно создать, например, ультрафиолетовые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали самые оптимистичные теоретические расчеты, выполненные ранее. «Удивительно, но эффект суперинжекции в алмазе в 50–100 раз сильнее того, который сегодня используется в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур», — подчеркивает Игорь Храмцов.

 

Благодаря тому, что суперинжекция может наблюдаться в гомоструктурах на основе многих полупроводниковых материалов  начиная от хорошо известных нитрида галлия и карбида кремния и заканчивая недавно открытыми двумерными материалами, — этот эффект открывает новые возможности для создания высокоэффективных синих, фиолетовых, ультрафиолетовых и белых светодиодов; источников излучения для оптической передачи данных по воздуху (Li-Fi); новых видов лазеров; передатчиков для квантового интернета; а также оптических устройств для ранней диагностики заболеваний.

 

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
147Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
27.2K
Комментарии
7 ч
"Крейсерская скорость у B-52 почти такая же, как у Ту-...
8 ч
Фраза сказана в защиту "истинных" патриотов от "ложных...
Аватар пользователя Илья Ведмеденко
8 ч
"Эти старые клячи"

Крейсерская скорость у...

Колумнисты

Физтех
147Статей
Сколтех
63Статьи
Discovery Channel
40Статей
ТюмГУ
35Статей
СФУ
16Статей
Комментарии
Да и благородные металлы, обладают особыми электромагнитными взаимодействиями. А мы из них серёжки да колечки делаем ;)
Отражение окружающего Мира в зеркале, есть не что иное, как непрерывный "фотоэффект" в металлах, с сопутствующим возбуждением зарядов вещества; «работа выхода» от всех ЭМИ Вселенной.

Больше атомная масса элементов в сплаве — больше сила возбуждения зарядов вещества. «Доводить» до расщепления — нет необходимости.

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку