Científicos en semiconductores descubren un efecto que se creía imposible

Un efecto físico conocido como superinyección subyace a los modernos diodos emisores de luz (LED) y los láseres.

Durante décadas, se creía que este efecto solo se producía en heteroestructuras semiconductoras, es decir, estructuras compuestas de dos o más materiales semiconductores.

Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han encontrado que la superinyección es posible en las homoestructuras, que están hechas de un solo material.

Esto abre perspectivas completamente nuevas para el desarrollo de fuentes de luz.

Las fuentes de luz de los semiconductores, como los láseres y los LED, son el núcleo de la tecnología moderna.

Permiten impresoras láser e internet de alta velocidad.

Pero hace apenas 60 años, nadie imaginaría que los semiconductores se utilizarían como materiales para fuentes de luz brillante.

El problema era que para generar luz, tales dispositivos requieren electrones y agujeros (los portadores de carga libre en cualquier semiconductor) para recombinarse.

Cuanto mayor es la concentración de electrones y agujeros, más a menudo se recombinan, lo que hace que la fuente de luz sea más brillante.

Sin embargo, durante mucho tiempo, ningún dispositivo semiconductor podría fabricarse para proporcionar una concentración suficientemente alta de electrones y agujeros.

La solución fue encontrada en la década de 1960 por Zhores Alferov y Herbert Kroemer.

Propusieron utilizar heteroestructuras, o estructuras “tipo sándwich”, que consisten en dos o más semiconductores complementarios en lugar de uno solo.

Si se coloca un semiconductor entre dos semiconductores con intervalos de banda más amplios y se aplica una tensión de polarización directa, la concentración de electrones y orificios en la capa intermedia puede alcanzar valores de orden de magnitud más alto que los de las capas externas.

Este efecto, conocido como superinyección, subyace en los láseres semiconductores modernos y los LED.

Su descubrimiento le valió a Alferov y Kroemer el Premio Nobel de física en 2000.

Sin embargo, dos semiconductores arbitrarios no pueden hacer una heteroestructura viable.

Los semiconductores deben tener el mismo período de la red cristalina.

De lo contrario, el número de defectos en la interfaz entre los dos materiales será demasiado alto y no se generará luz.

En cierto modo, esto sería similar a tratar de atornillar una tuerca en un perno cuyo paso de rosca no coincide con el de la tuerca.

Dado que las homoestructuras están compuestas de un solo material, una parte del dispositivo es una extensión natural de la otra.

Si bien las homoestructuras son más fáciles de fabricar, se creía que las homoestructuras no podían soportar la superinyección y, por lo tanto, no son una base viable para fuentes de luz prácticas.

Igor Khramtsov y Dmitry Fedyanin, del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, hicieron un descubrimiento que cambia drásticamente la perspectiva de cómo se pueden diseñar los dispositivos emisores de luz.

Los físicos descubrieron que es posible lograr la superinyección con un solo material.

Además, la mayoría de los semiconductores conocidos pueden ser utilizados.

“En el caso del silicio y el germanio, la superinyección requiere temperaturas criogénicas, y esto arroja dudas sobre la utilidad del efecto.

Pero en el diamante o el nitruro de galio, la superinyección fuerte puede ocurrir incluso a temperatura ambiente”, dijo el Dr. Fedyanin.

Esto significa que el efecto se puede utilizar para crear dispositivos de mercado masivo.

De acuerdo con el nuevo documento, la superinyección puede producir concentraciones de electrones en un diodo de diamante que son 10,000 veces más altas que las que se creían posibles en última instancia.

Como resultado, el diamante puede servir como base para los LED ultravioletas miles de veces más brillantes de lo que predijeron los cálculos teóricos más optimistas.

“Sorprendentemente, el efecto de la superinyección en el diamante es de 50 a 100 veces más intenso que el utilizado en la mayoría de los LED semiconductores de mercado masivo y los láseres basados ​​en heteroestructuras”, señaló Khramtsov.

Los físicos enfatizaron que la sobreinyección debería ser posible en una amplia gama de semiconductores, desde semiconductores convencionales de gran ancho de banda hasta nuevos materiales bidimensionales.

Esto abre nuevas perspectivas para el diseño de LEDs azules, violetas, ultravioletas y blancos altamente eficientes, así como fuentes de luz para la comunicación inalámbrica óptica (Li-Fi), nuevos tipos de láseres, transmisores para Internet cuántico y dispositivos ópticos para los primeros equipos. diagnóstico de enfermedades.

Fuente: Noticias de la Ciencia