Forscher entdecken einen für unmöglich gehaltenen physikalischen Defekt in einem Halbleiter

• Forscher zeigen eine ganz neue Perspektive beim Entwerfen von lichtemittierenden Geräten.
• Diamanten können verwendet werden, um 100-mal hellere Lichtgeräte herzustellen als bestehende LEDs und Laser.
• Es könnte die Herstellung von Lichtquellen für Li-Fi und Sendern für das Quanteninternet ermöglichen.

Viele Halbleiterbauelemente arbeiten durch Erzeugen einer hohen Dichte von Nichtgleichgewichtsträgern unter einer Vorspannung. Solche Ladungsträger (Elektronen und Löcher) sind in der Lage, die Eigenschaften des Halbleiters zu rekombinieren oder zu verändern, und dieses Phänomen kann zur Lichtmodulation ausgenutzt werden.

Die Lichtintensität ist proportional zur Konzentration von Elektronen und Löchern und wie schnell sie rekombinieren. Moderne Geräte wie Laser und LEDs (die in Highspeed-Internet und Laserdruckern verwendet werden) basieren auf diesem Prozess.

Es gibt jedoch keinen Halbleiter, der eine ausreichende Konzentration von Elektronen und Löchern bereitstellen kann. In den 1960er Jahren haben Wissenschaftler eine Lösung gefunden – Heterostrukturen, die zwei oder mehr Halbleiter enthalten.

In solchen Heterostrukturen ist ein Halbleiter zwischen zwei Halbleitern mit größeren Bandlücken eingebettet. Auf diese Weise kann die Konzentration von Elektronen und Löchern in der mittleren Schicht durch Anlegen einer Vorwärtsspannung auf ein ausreichend hohes Niveau erhöht werden. Dieser Effekt wird als Superinjektion bezeichnet , und so werden moderne LEDs und Laser hergestellt.

Um eine lebensfähige Heterostruktur herzustellen, ist es wichtig, Halbleiter auszuwählen, die die gleiche Periode des Kristallgitters haben. Dies führt zu weniger Defekten an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und somit zu einer helleren Lichtquelle.

Diese Heterostrukturen sind im Vergleich zu Homostrukturen (aus einem einzelnen Halbleiter hergestellt) schwierig herzustellen. Wissenschaftler versuchen seit Jahren, Homostrukturen zum Bau von Lichtquellen zu verwenden, aber sie haben noch keinen Erfolg.

Superinjektion in Homostrukturen

Kürzlich haben Forscher des Moskauer Instituts für Physik und Technologie ein Papier veröffentlicht, in dem sie eine ganz neue Perspektive bei der Entwicklung von Licht emittierenden Geräten beschrieben.

Das Papier zeigt, dass Superinjektion mit nur einem Halbleiter erreicht werden kann. Und das Beste ist, dass dies mit bekannten, bereits verfügbaren Halbleitern möglich ist.

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

Derzeit werden Silizium- und Germanium-Halbleiter verwendet, um helle Lichtquellen herzustellen, die eine Superinjektion bei kryogenen Temperaturen unterstützen. Bei Galliumnitrid und Diamant kann jedoch bei Raumtemperatur eine starke Superinjektion auftreten. Ihre Wirkung könnte genutzt werden, um Geräte für den Massenmarkt herzustellen.

Darstellung von Homo- und Heterostrukturen | Kredit:MIPT

Die Superinjektion in Diamanten kann 10.000-mal höhere Konzentrationen erzeugen, als letztendlich für möglich gehalten wurde. Daher können Diamanten als Grundlage für ultraviolette Leuchtdioden verwendet werden, die tausendmal heller sind als die optimistischsten früheren Berechnungen. Darüber hinaus ist seine Wirkung bis zu 100-mal stärker als bei bestehenden Halbleiterlasern und LEDs auf Basis von Heterostrukturen.

Anwendungen

Die Studie ermöglicht die Injektion einer hohen Elektronendichte in ein großes Volumen, wodurch die Effizienz der Elektroneninjektion verbessert wird, wodurch die Helligkeit von Einzelphotonenquellen und Leuchtdioden auf Diamantbasis drastisch erhöht werden kann.

Laut den Forschern kann Superinjektion in verschiedenen Halbleitern auftreten, von 2D-Materialien bis hin zu herkömmlichen Halbleitern mit großer Bandlücke.

Lesen Sie:Die vorhandene Lasertechnologie ist stark genug, um Außerirdische in einer Entfernung von 20.000 Lichtjahren anzuziehen

Dies könnte die Herstellung hocheffizienter violetter, ultravioletter, weißer und blauer LEDs ermöglichen, zusammen mit Lichtquellen für Li-Fi (optische drahtlose Kommunikation), optischen Instrumenten für die Frühdiagnose von Krankheiten, Sendern für das Quanteninternet und neuartigen Lasern .