В полупроводниках открыт эффект ранее считавшийся невозможным

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

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

Еще несколько десятков лет 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 светит источник света. Однако 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 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, 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 cоединить 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 в таком виде может выступать 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 10 000 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 заканчивания 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.