Открыт «невозможный» эффект в полупроводниках

Эффект суперинжекции является основой современных лазеров и светодиодов. До настоящего момента считалось, что он возможен только в гетероструктурах, состоящих из двух и более полупроводниковых материалов. Физики из МФТИ обнаружили, что суперинжекция возможна и в гомоструктурах, то есть достаточно иметь лишь один материал. Это открывает принципиально новые возможности в создании источников света. Работа опубликована в журнале Semiconductor Science and Technology.

Полупроводниковые источники света, такие как светодиоды или лазеры, являются основой современной техники. В таких устройствах свет генерируется во время рекомбинации электронов и дырок — основных носителей заряда в полупроводнике. Чем выше концентрации электронов и дырок, тем чаще они рекомбинируют и тем ярче светит источник. Длительное время в изготавливаемых полупроводниковых приборах не удавалось получить достаточно высокой концентрации одновременно и электронов, и дырок.

Решение проблемы в 60-е годы 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 запрещённой зоны между двумя полупроводниками с большей шириной запрещённой 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, является основой 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 решёток, это приведёт к возникновению большого числа дефектов на поверхности между полупроводниками, и полученный источник света не будет светить.

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, причём 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 10000 раз. Таким образом, на основе алмаза можно создать, например, ультрафиолетовые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали самые оптимистичные теоретические расчёты, выполненные ранее.

«Эффект суперинжекции в алмазе в 50—100 раз сильнее того, который сегодня используется в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур», — подчёркивает 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.