Científicos descubren defecto semiconductor previamente imposible

Investigadores muestran nueva perspectiva para diseñar dispositivos emisores de luz.

Diamantes pueden usarse para hacer dispositivos de luz 100 veces más brillantes que LEDs y láseres existentes.

Podría permitir fabricación de fuentes de luz para Li-Fi y transmisores para internet cuántico.

Superinyección en homoestructuras

Muchos dispositivos semiconductor operan creando alta densidad de portadores no-equilibrio bajo voltaje bias. Tales portadores (electrones y huecos) pueden recombinar o cambiar propiedades del semiconductor, fenómeno explotable para modulación de luz.

Intensidad de luz es proporcional a concentración de electrones y huecos y velocidad de recombinación. Dispositivos modernos como láseres y LEDs (usados en internet alta velocidad e impresoras láser) dependen de este proceso.

Sin embargo, no existe semiconductor que provea suficiente concentración de electrones y huecos. En 1960s, científicos idearon solución: heteroestructuras con dos o más semiconductores.

En tales heteroestructuras, un semiconductor se coloca entre dos con bandgaps mayores. Así, concentración de electrones y huecos en capa media puede aumentarse a nivel suficiente aplicando voltaje forward bias. Este efecto se llama superinyección, y así se fabrican LEDs y láseres modernos.

Para heteroestructura viable, es importante seleccionar semiconductores con mismo período de red cristalina. Resulta en menos defectos en interfaz, y así fuente de luz más brillante.

Estas heteroestructuras son difíciles de fabricar vs homoestructuras (un solo semiconductor). Años intentando usar homoestructuras para fuentes de luz, sin éxito.

Superinyección en homoestructuras

Recientemente, investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú publicaron paper describiendo nueva perspectiva para diseñar dispositivos emisores de luz.

El paper muestra que superinyección puede lograrse con un solo semiconductor. Lo mejor: puede hacerse con semiconductores ya conocidos y disponibles.

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

Actualmente, silicio y germanio se usan para fuentes de luz brillantes, que soportan superinyección a temperaturas criogénicas. Pero en caso de nitruro de galio y diamante, fuerte superinyección podría ocurrir a temperatura ambiente. Su efecto podría usarse para equipos de mercado masivo.

Ilustración de homo- y heteroestructuras | Crédito: MIPT

Superinyección en diamantes genera 10.000 veces mayores concentraciones que lo asumido como posible. Por tanto, diamantes pueden usarse como base para diodos emisores UV miles de veces más brillantes que cálculos optimistas previos. Además, su efecto es hasta 100 veces más fuerte que láseres y LEDs semiconductores existentes basados en heteroestructuras.

Aplicaciones

El estudio permite inyectar alta densidad de electrón en gran volumen, mejorando eficiencia de inyección electrón, lo que puede aumentar drásticamente brillo de fuentes de fotón único y LEDs basados en diamante.

Según investigadores, superinyección puede ocurrir en diversos semiconductores, desde materiales 2D a semiconductores wide-bandgap convencionales.

Leer: La tecnología láser existente es lo bastante fuerte para atraer extraterrestres a 20.000 años luz

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