«Гомо і гетероструктури». Матеріал та ілюстрація надані прес-службою МФТІ.
Так званий ефект суперінжекції є основою сучасних лазерів і світлодіодів. До цього моменту вважалося, що він можливий тільки в гетероструктурах, що складаються з двох і більше напівпровідникових матеріалів. Фізики з МФТІ виявили, що суперінжекція можлива і в гомоструктурах, тобто достатньо мати лише один матеріал. Це відкриває принципово нові можливості у створенні світлових джерел.
Робота опублікована в журналі Semiconductor Science and Technology.
Напівпровідникові джерела світла, такі як світлодіоди або лазери, є основою сучасної техніки. Завдяки їм ми можемо друкувати на принтері і користуватися високошвидкісним інтернетом. Але трохи більше півстоліття тому не можна було і уявити, що можливо створювати яскраві джерела світла на основі напівпровідників. Справа в тому, що в таких пристроях світло генерується під час рекомбінації електронів і дірок - основних носіїв заряду в будь-якому напівпровіднику. Чим вище концентрації електронів і дірок, тим частіше вони рекомбінують і тим яскравіше світить джерело.
Тривалий час у виготовлених напівпровідникових приладах не вдавалося отримати досить високої концентрації одночасно і електронів, і дірок.
Рішення проблеми в 60-ті роки знайшли Жорес Алфьоров і Герберт Кремер. Вони запропонували створювати напівпровідникові джерела світла не на основі одного матеріалу, а на основі гетероструктур - «бутерброда» з двох і більше спеціально підібраних напівпровідників. Якщо помістити напівпровідник з меншою шириною забороненої зони між двома напівпровідниками з більшою шириною забороненої зони, то при пропусканні струму через таку структуру в центральному напівпровіднику можна створити концентрацію електронів і дірок на кілька порядків вище, ніж в навколишніх напівпровідниках. Цей ефект, названий суперінжекцією, є основою сучасних світлодіодів і лазерів. За ці роботи Алфьоров і Кремер отримали Нобелівську премію з фізики в 2000 році.
Головним недоліком гетероструктур є те, що не будь-які два напівпровідники можна з'єднати в одну гетероструктуру. Якщо у напівпровідників не будуть збігатися періоди кристалічних решіток, це призведе до виникнення великої кількості дефектів на поверхні між напівпровідниками, і отримане джерело світла не буде світити. Це подібно спробі накрутити на болт гайку з іншим кроком різьблення. Навряд чи так вийде зробити, не пошкодивши різьбу. У той же час, гомоструктури складаються з матеріалу одного типу, а значить, одна частина пристрою є природним продовженням іншої. Незважаючи на цю зручність, вважалося, що суперінжекція в гомоструктурах неможлива, отже, на їх основі не можна створювати скільки-небудь яскраві джерела світла.
Ігор Храмцов і Дмитро Федянин з лабораторії нанооптики і плазмоніки Центру фотоніки і почесних матеріалів МФТІ зробили відкриття, що дозволяє кардинальним чином змінити погляд на принципи побудови світловипромінюючих пристроїв. Вони з'ясували, що для досягнення суперінжекції достатньо використовувати лише один матеріал, причому можна використовувати більшість відомих напівпровідників.
«Якщо в разі кремнію і Німеччини для суперінжекції потрібні кріогенні температури, що ставить під питання цінність цього ефекту, то в таких матеріалах, як алмаз і нітрид галію сильна суперінжекція може спостерігатися вже за кімнатної температури», - зазначає Дмитро Федянин.
Це означає, що цей ефект можна використовувати в створенні пристроїв для масового ринку. Згідно з опублікованою статтею, суперінжекція в алмазному діоді дозволяє перевершити межу максимальної, як раніше вважалося, концентрації електронів в алмазі в 10 000 разів. Таким чином, на основі алмазу можна створити, наприклад, ультрафіолетові світлодіоди, які будуть в тисячі разів яскравіше, ніж передбачали найоптимістичніші теоретичні розрахунки, виконані раніше.
«Дивно, але ефект суперінжекції в алмазі в 50 - 100 разів сильніший того, який сьогодні використовується в більшості напівпровідникових світлодіодів і лазерів на основі гетероструктур», - підкреслює Ігор Храмцов.
Завдяки тому, що суперінжекція може спостерігатися в гомоструктурах на основі багатьох напівпровідникових матеріалів, починаючи від добре відомих нітрида галію і карбіду кремнію і закінчення нещодавно відкритими почесними матеріалами, цей ефект відкриває нові можливості для створення високоефективних синіх, фіолетових, ультрафіолетових і білих світлодіодів; джерел випромінювання для оптичної передачі даних по повітрю (Li-Fi); нових видів лазерів; передавачів для квантового інтернету; а також оптичних пристроїв для ранньої діагностики захворювань.
