Een fysiek effect dat bekend staat als superinjectie ligt ten grondslag aan moderne light-emitting diodes (LED's) en lasers. Decennia lang werd aangenomen dat dit effect alleen optrad in heterostructuren van halfgeleiders - dat wil zeggen, structuren samengesteld uit twee of meer halfgeleidermaterialen. Onderzoekers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie hebben ontdekt dat superinjectie mogelijk is in homostructuren, die van één materiaal zijn gemaakt. Dit opent geheel nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van lichtbronnen. De krant verscheen op 21 februari in het tijdschrift Halfgeleiderwetenschap en -technologie .

Halfgeleider lichtbronnen, zoals lasers en leds, vormen de kern van de moderne technologie. Ze maken laserprinters en snel internet mogelijk. Maar amper 60 jaar geleden, niemand zou zich kunnen voorstellen dat halfgeleiders worden gebruikt als materialen voor felle lichtbronnen. Het probleem was dat om licht te genereren, dergelijke apparaten hebben elektronen en gaten nodig - de vrije ladingsdragers in elke halfgeleider - om te recombineren. Hoe hoger de concentratie van elektronen en gaten, hoe vaker ze recombineren, waardoor de lichtbron helderder wordt. Echter, voor een lange tijd, geen enkele halfgeleiderinrichting zou kunnen worden vervaardigd om een ​​voldoende hoge concentratie van zowel elektronen als gaten te verschaffen.

De oplossing werd in de jaren zestig gevonden door Zhores Alferov en Herbert Kroemer. Ze stelden voor om heterostructuren te gebruiken, of "sandwich"-structuren, bestaande uit twee of meer complementaire halfgeleiders in plaats van slechts één. Als men een halfgeleider tussen twee halfgeleiders met grotere bandafstanden plaatst en een voorwaartse voorspanning toepast, de concentratie van elektronen en gaten in de middelste laag kan waarden bereiken die orden van grootte hoger zijn dan die in de buitenste lagen. Dit effect, bekend als superinjectie, ligt ten grondslag aan moderne halfgeleiderlasers en LED's. De ontdekking ervan leverde Alferov en Kroemer in 2000 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

Echter, twee willekeurige halfgeleiders kunnen geen levensvatbare heterostructuur maken. De halfgeleiders moeten dezelfde periode van het kristalrooster hebben. Anders, het aantal defecten op het grensvlak tussen de twee materialen zal te hoog zijn, en er wordt geen licht gegenereerd. Op een manier, dit zou hetzelfde zijn als proberen een moer op een bout te schroeven waarvan de spoed niet overeenkomt met die van de moer. Omdat homostructuren uit slechts één materiaal bestaan, het ene deel van het apparaat is een natuurlijk verlengstuk van het andere. Hoewel homostructuren gemakkelijker te fabriceren zijn, men geloofde dat homostructuren geen superinjectie konden ondersteunen en daarom geen levensvatbare basis zijn voor praktische lichtbronnen.

Igor Khramtsov en Dmitry Fedyanin van het Moscow Institute of Physics and Technology deden een ontdekking die het perspectief op hoe lichtgevende apparaten kunnen worden ontworpen drastisch verandert. De natuurkundigen ontdekten dat het mogelijk is om superinjectie te bereiken met slechts één materiaal. Wat is meer, de meeste van de bekende halfgeleiders kunnen worden gebruikt.

"In het geval van silicium en germanium, superinjectie vereist cryogene temperaturen, en dit doet twijfel rijzen over het nut van het effect. Maar in diamant of galliumnitride, sterke superinjectie kan zelfs bij kamertemperatuur optreden, " Dr. Fedyanin zei. Dit betekent dat het effect kan worden gebruikt om apparaten voor de massamarkt te creëren. Volgens het nieuwe artikel, superinjectie kan elektronenconcentraties produceren in een diamantdiode die 10 zijn, 000 keer hoger dan wat eerder werd gedacht uiteindelijk mogelijk te zijn. Als resultaat, diamant kan dienen als basis voor ultraviolette LED's die duizenden keren helderder zijn dan wat de meest optimistische theoretische berekeningen voorspelden. "Verrassend genoeg, het effect van superinjectie in diamant is 50 tot 100 keer sterker dan dat gebruikt in de meeste massamarkt halfgeleider-LED's en lasers op basis van heterostructuren, ' merkte Khramtsov op.

De natuurkundigen benadrukten dat superinjectie mogelijk moet zijn in een breed scala aan halfgeleiders, van conventionele halfgeleiders met een brede bandgap tot nieuwe tweedimensionale materialen. Dit opent nieuwe perspectieven voor het ontwerpen van zeer efficiënte blauwe, paars, ultraviolet, en witte LED's, evenals lichtbronnen voor optische draadloze communicatie (Li-Fi), nieuwe soorten lasers, zenders voor het kwantuminternet, en optische apparaten voor vroege diagnostiek van ziekten.