俄罗斯莫斯科物理技术学院发现同质结可产生“超注入”现象!

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发布时间: 19-04-2318:54

导读

据俄罗斯莫斯科物理技术学院官网近日报道,该校研究人员发现同质结中可产生“超注入”现象。这项发现为开发光源开辟了全新的前景。

背景

一种称为“超注入”的物理效应构成了现代发光二极管(LED)与激光器的基础。数十年来,科学家们相信这种效应仅在半导体异质结中发生。异质结,是指由两种或者更多的半导体材料组成的结构。

双异质结激光器(图片来源:维基百科)

创新

近日,俄罗斯莫斯科物理技术学院(MIPT)的研究人员发现“超注入”可在同质结中产生,同质结仅由一种材料组成。这项发现为开发光源开辟了全新的前景。这篇论文于2月21日发表在《半导体科学与技术(Semiconductor Science and Technology)》期刊上。

(图片来源:tsarcyanide/MIPT新闻办公室)

技术

半导体光源,例如激光器或者LED,是现代的核心技术。它们使激光打印机和高速互联网成为可能。但是,仅在60年之前,还没有人会想到半导体可以成为明亮光源的材料。问题在于,为了产生光线,这种器件需要电子与空穴(任何半导体中的自由载流子)重新结合。电子与空穴的浓度越高,它们重新结合得越频繁,光源就越亮。然而,长时间以来,科学家制造出来的半导体器件都无法提供足够高的电子与空穴浓度。

若列斯·阿尔费罗夫(Zhores Alferov)和赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)找到了解决方案。他们提议采用异质结,或称“三明治”结构,由两个或者更多的互补半导体组成,而不是仅由一种半导体组成。如果我们将一个半导体放在两个具有较宽带隙的半导体之间,并施加一个正向偏压,中间层中的电子与空穴浓度所达到的值,会比外层中高几个数量级。这种效应也称为“超注入“,它构成了现代半导体激光器和LED的基础。这一发现也使得阿尔费罗夫和克勒默获得了2000年的诺贝奖。

然而,并不是任意两种半导体都能制成有效的异质结。这些半导体需要具有相同的晶格周期。否则,两种材料交界处的缺陷数量会太多,无法生成光线。这种方式就像尝试在螺栓上拧紧螺母,可是螺栓的螺距与螺母的螺距并不匹配。由于同质结仅由一种材料组成,所以器件的一部分是另一部分的自然延伸。尽管同质结更便于制造,但是人们却认为同质结无法支持超注入,因此无法应用于实用光源。

莫斯科物理技术学院的伊戈尔·基拉穆索夫(Igor Khramtsov)和德米特里·费佳宁(Dmitry Fedyanin)的发现,彻底改变了关于发光器件如何设计的观点。物理学家们发现,仅用一种材料也可以实现超注入。此外,大多数已知的半导体都可以使用。

费佳宁博士表示:“以硅和锗为例,超注入需要低温,这使得人们对于这个效应的效用产生了怀疑。但是,在金刚石或者氮化镓中,强烈的超注入,甚至可以在室温条件下产生。”

这意味着,这种效应可用于创造大众市场的器件。据这篇新论文称,超注入在金刚石二极管中生成的电子浓度,比以前认为是最终可能实现的电子浓度,要高一万倍。因此,金刚石成为了紫外线LED的基础,这种紫外线LED比最乐观的理论预测结果明亮几千倍。基拉穆索夫指出:“令人吃惊的是,金刚石中的超注入效应比大多数基于异质结的大众市场半导体LED和激光器强50到100倍。”

价值

物理学家们强调,超注入现象可在各种半导体中实现,从传统的宽带隙半导体到新型二维材料。这将为设计高效的蓝光、紫光、紫外光和白光LED,以及用于光学无线通信(Li-Fi)的光源、新型激光器、量子网络的发射机和诊断疾病所用的光学器件,开辟新的前景。

基于LED的可见光通信系统(图片来源IMDEA Networks)

关键字

异质结、半导体、激光器、LED、Li-Fi

参考资料

【1】I.A. Khramtsov, D.Yu. Fedyanin, Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes, Semiconductor Science and Technology 34, 03LT03 (2019).

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