Investigadores descubren un defecto físico en un semiconductor que se pensaba imposible

• Los investigadores muestran una perspectiva completamente nueva del diseño de dispositivos emisores de luz.
• Los diamantes se pueden usar para hacer dispositivos de luz 100 veces más brillantes que los LED y láseres existentes.
• Podría permitir la fabricación de fuentes de luz para Li-Fi y transmisores para Internet cuántica.

Muchos dispositivos semiconductores funcionan creando una alta densidad de portadores de desequilibrio bajo un voltaje de polarización. Dichos portadores (electrones y huecos) son capaces de recombinarse o cambiar las propiedades del semiconductor, y este fenómeno puede aprovecharse para la modulación de la luz.

La intensidad de la luz es proporcional a la concentración de electrones y huecos y a la rapidez con la que se recombinan. Los dispositivos modernos como láseres y LED (utilizados en impresoras láser y de Internet de alta velocidad) se basan en este proceso.

Sin embargo, no existe un semiconductor que pueda proporcionar suficiente concentración de electrones y huecos. En la década de 1960, los científicos encontraron una solución:heteroestructuras que contienen dos o más semiconductores.

En tales heteroestructuras, un semiconductor se intercala entre dos semiconductores con bandgaps más grandes. De esta manera, la concentración de electrones y huecos de la capa intermedia se puede aumentar a un nivel suficientemente alto aplicando un voltaje de polarización directa. Este efecto se llama superinyección . , y así es como se fabrican los LED y el láser modernos.

Para hacer una heteroestructura viable, es importante seleccionar semiconductores que tengan el mismo período de la red cristalina. Esto da como resultado menos defectos en la interfaz entre el semiconductor y, por lo tanto, una fuente de luz más brillante.

Estas heteroestructuras son difíciles de fabricar en comparación con las homoestructuras (hechas de un solo semiconductor). Durante años, los científicos han intentado utilizar homoestructuras para construir fuentes de luz, pero aún no han logrado ningún éxito.

Superinyección en homoestructuras

Recientemente, investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú publicaron un artículo en el que describían una perspectiva completamente nueva del diseño de dispositivos emisores de luz.

El artículo muestra que la superinyección se puede lograr con un solo semiconductor. Y lo mejor es que se puede hacer utilizando semiconductores conocidos y ya disponibles.

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

En la actualidad, los semiconductores de silicio y germanio se utilizan para fabricar fuentes de luz brillante, que soportan la superinyección a temperaturas criogénicas. Sin embargo, en el caso del nitruro de galio y el diamante, podría producirse una fuerte superinyección a temperatura ambiente. Su efecto podría utilizarse para producir equipos para el mercado masivo.

Ilustración de homo y heteroestructuras | Crédito:MIPT

La superinyección en diamantes puede generar concentraciones 10,000 veces más altas de lo que se suponía que era posible en última instancia. Por lo tanto, los diamantes se pueden utilizar como base para diodos emisores de luz ultravioleta miles de veces más brillantes que los cálculos anteriores más optimistas. Además, su efecto es hasta 100 veces más fuerte que los láseres semiconductores existentes y los LED basados ​​en heteroestructuras.

Aplicaciones

El estudio permite inyectar una alta densidad de electrones en un gran volumen, mejorando la eficiencia de la inyección de electrones, que puede aumentar drásticamente el brillo de las fuentes de fotón único y los diodos emisores de luz basados ​​en el diamante.

Según los investigadores, la superinyección puede ocurrir en varios semiconductores, desde materiales 2D hasta semiconductores convencionales de banda ancha.

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Esto podría permitir la fabricación de LED violeta, ultravioleta, blanco y azul altamente eficientes, junto con las fuentes de luz para Li-Fi (comunicación inalámbrica óptica), instrumentos ópticos para el diagnóstico temprano de enfermedades, transmisores para Internet cuántico y nuevos tipos de láseres. .