Pesquisadores descobrem um defeito físico em semicondutor que era considerado impossível

• Os pesquisadores mostram uma perspectiva totalmente nova de projetar dispositivos emissores de luz.
• Os diamantes podem ser usados ​​para fazer dispositivos de luz 100 vezes mais brilhantes do que os LEDs e lasers existentes.
• Pode permitir a fabricação de fontes de luz para Li-Fi e transmissores para a internet quântica.

Muitos dispositivos semicondutores operam criando uma alta densidade de portadores de não-equilíbrio sob uma tensão de polarização. Tais portadores (elétrons e lacunas) são capazes de recombinar ou alterar as propriedades do semicondutor, e esse fenômeno pode ser explorado para a modulação da luz.

A intensidade da luz é proporcional à concentração de elétrons e lacunas e com que rapidez eles se recombinam. Dispositivos modernos como lasers e LEDs (usados ​​em internet de alta velocidade e impressoras a laser) dependem desse processo.

No entanto, não existe um semicondutor que possa fornecer concentração suficiente de elétrons e lacunas. Na década de 1960, os cientistas encontraram uma solução - heteroestruturas que contêm dois ou mais semicondutores.

Em tais heteroestruturas, um semicondutor é imprensado entre dois semicondutores com bandgaps maiores. Desta forma, a concentração de elétrons e lacunas da camada intermediária pode ser aumentada para um nível suficientemente alto aplicando uma tensão de polarização direta. Este efeito é chamado de superinjeção , e é assim que os LEDs e o laser modernos são feitos.

Para fazer uma heteroestrutura viável, é importante selecionar semicondutores que tenham o mesmo período da rede cristalina. Isso resulta em menos defeitos na interface entre o semicondutor e, portanto, em uma fonte de luz mais brilhante.

Essas heteroestruturas são difíceis de fabricar em comparação com as homoestruturas (feitas de um único semicondutor). Por anos, os cientistas têm tentado usar homoestruturas para construir fontes de luz, mas ainda não obtiveram sucesso.

Superinjeção em homoestruturas

Recentemente, pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou publicaram um artigo no qual descreveram uma perspectiva totalmente nova de projetar dispositivos emissores de luz.

O artigo mostra que a superinjeção pode ser alcançada com apenas um semicondutor. E a melhor coisa é que isso pode ser feito usando semicondutores conhecidos e já disponíveis.

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

Atualmente, semicondutores de silício e germânio são usados ​​para fazer fontes de luz brilhante, que suportam superinjeção em temperaturas criogênicas. No entanto, no caso do nitreto de gálio e do diamante, pode ocorrer forte superinjeção à temperatura ambiente. Seu efeito poderia ser utilizado para produzir equipamentos para o mercado de massa.

Ilustração de homo e heteroestruturas | Crédito:MIPT

A superinjeção em diamantes pode gerar concentrações 10.000 vezes mais altas do que se supunha ser possível. Portanto, os diamantes podem ser usados ​​como base para diodos emissores de luz ultravioleta milhares de vezes mais brilhantes do que os cálculos anteriores mais otimistas. Além disso, seu efeito é até 100 vezes mais forte do que os lasers semicondutores e LEDs existentes baseados em heteroestruturas.

Aplicativos

O estudo possibilita injetar uma alta densidade de elétrons em um grande volume, aumentando a eficiência da injeção de elétrons, que pode aumentar drasticamente o brilho de fontes de fóton único e diodos emissores de luz à base de diamante.

De acordo com os pesquisadores, a superinjeção pode ocorrer em vários semicondutores, desde materiais 2D até semicondutores convencionais de largo bandgap.

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Isso poderia permitir a fabricação de LEDs violeta, ultravioleta, branco e azul altamente eficientes, junto com as fontes de luz para Li-Fi (comunicação óptica sem fio), instrumentos ópticos para diagnóstico precoce de doenças, transmissores para internet quântica e novos tipos de lasers .