Wissenschaftler entdecken bisher unmöglichen Halbleiterdefekt

Forscher zeigen völlig neue Perspektive für Design lichtemittierender Geräte. Diamanten ermöglichen 100-mal hellere Lichtgeräte als bestehende LEDs und Laser. Könnte Fertigung von Lichtquellen für Li-Fi und Transmittern für Quanten-Internet ermöglichen.

Superinjektion in Homostrukturen

Viele Halbleitergeräte erzeugen hohe Dichte nicht-gleichgewichtiger Träger unter Bias-Spannung. Solche Träger (Elektronen, Löcher) rekombinieren oder ändern Halbleitereigenschaften – nutzbar für Lichtmodulation.

Lichtintensität proportional zu Elektronen-/Lochkonzentration und Rekombinationsgeschwindigkeit. Moderne Geräte wie Laser und LEDs (High-Speed-Internet, Laserdrucker) basieren darauf.

Doch kein Halbleiter liefert genug Elektronen-/Lochkonzentration. 1960er: Lösung – Heterostrukturen mit zwei oder mehr Halbleitern.

In Heterostrukturen: Halbleiter zwischen zwei Halbleitern mit größeren Bandlücken. Mittelschicht-Konzentration von Elektronen/Löchern durch Vorwärtsspannung ausreichend erhöhbar. Effekt heißt Superinjektion – so werden moderne LEDs/Laser gemacht.

Für viable Heterostruktur: Halbleiter mit gleicher Kristallgitterperiode wählen. Weniger Defekte an Grenzflächen → hellere Lichtquelle.

Heterostrukturen schwieriger zu fertigen als Homostrukturen (einzelner Halbleiter). Jahrelang versuchten Wissenschaftler, Homostrukturen für Lichtquellen zu nutzen – ohne Erfolg.

Superinjektion in Homostrukturen

Forscher am MIPT veröffentlichten Paper mit völlig neuer Perspektive für Design lichtemittierender Geräte.

Paper zeigt: Superinjektion mit nur einem Halbleiter möglich. Bestehend: bekannte, verfügbare Halbleiter nutzbar.

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

Aktuell: Silizium, Germanium für helle Lichtquellen, unterstützen Superinjektion bei kryogenen Temperaturen. Bei Galliumnitrid und Diamant: starke Superinjektion bei Raumtemperatur. Effekt nutzbar für Massenmarkt-Geräte.

Illustration Homo- und Heterostrukturen | Credit: MIPT

Superinjektion in Diamanten erzeugt 10.000-fach höhere Konzentrationen als für ultimativ möglich gehalten. Diamanten als Basis für UV-LEDs tausendfach heller als optimistischste Vorhersagen. Effekt bis 100-mal stärker als bestehende Halbleiterlaser/LEDs auf Heterostrukturbasis.

Anwendungen

Studie ermöglicht Injektion hoher Elektronendichte in großes Volumen, steigert Elektroneneinschusseffizienz, drastisch erhöhte Helligkeit von Einzelphotonenquellen und Diamant-LEDs.

Laut Forschern kann Superinjektion in verschiedenen Halbleitern auftreten: 2D-Materialien bis konventionelle Wide-Bandgap-Halbleiter.

Ermöglicht Fertigung hocheffizienter violetter, ultravioletter, weißer, blauer LEDs, Lichtquellen für Li-Fi (optische drahtlose Kommunikation), optische Instrumente für Früherkrankungsdiagnostik, Transmitter für Quanten-Internet, neue Laserarten.