研究者たちは、不可能と考えられていた半導体の物理的欠陥を発見しました

• 研究者は、発光デバイスを設計するというまったく新しい視点を示しています。
• ダイヤモンドを使用して、既存のLEDやレーザーよりも100倍明るい光デバイスを作成できます。
• Li-Fi用の光源と量子インターネット用の送信機の製造を可能にする可能性があります。

多くの半導体デバイスは、バイアス電圧の下で高密度の非平衡キャリアを生成することによって動作します。このようなキャリア（電子と正孔）は、半導体の特性を再結合または変更することができ、この現象は光変調に利用できます。

光の強度は、電子と正孔の濃度とそれらが再結合する速度に比例します。レーザーやLED（高速インターネットやレーザープリンターで使用される）などの最新のデバイスは、このプロセスに依存しています。

ただし、電子と正孔を十分に集中させることができる半導体は存在しません。 1960年代に、科学者たちは解決策を思いつきました–2つ以上の半導体を含むヘテロ構造。

このようなヘテロ構造では、半導体はバンドギャップが大きい2つの半導体の間に挟まれています。このように、順方向バイアス電圧を印加することにより、中間層の電子と正孔の濃度を十分に高いレベルに上げることができます。この効果はスーパーインジェクションと呼ばれます 、そしてこれが現代のLEDとレーザーの製造方法です。

実行可能なヘテロ構造を作成するには、結晶格子の周期が同じである半導体を選択することが重要です。これにより、半導体間の界面での欠陥が少なくなり、光源が明るくなります。

これらのヘテロ構造は、ホモ構造（単一の半導体でできている）と比較して製造が困難です。科学者たちは何年もの間、ホモ構造を使用して光源を構築しようと試みてきましたが、まだ成功していません。

ホモ構造でのスーパーインジェクション

最近、モスクワ物理技術研究所の研究者が、発光デバイスの設計に関するまったく新しい視点を説明した論文を発表しました。

この論文は、スーパーインジェクションがたった1つの半導体で達成できることを示しています。そして最良のことは、よく知られている、すでに入手可能な半導体を使用してそれを行うことができるということです。

参照：IOPScience | DOI：10.1088 / 1361-6461 / ab0569 | MIPT

現在、シリコンとゲルマニウムの半導体は、極低温でのスーパーインジェクションをサポートする明るい光源を作るために使用されています。ただし、窒化ガリウムとダイヤモンドの場合、室温で強いスーパーインジェクションが発生する可能性があります。それらの効果は、マスマーケット機器の製造に利用できます。

ホモ構造とヘテロ構造の図|クレジット：MIPT

ダイヤモンドへのスーパーインジェクションは、最終的に可能であると想定されていた濃度の10,000倍の濃度を生成する可能性があります。したがって、ダイヤモンドは、最も楽観的な以前の計算よりも数千倍明るい紫外線発光ダイオードの基礎として使用できます。さらに、その効果は、ヘテロ構造に基づく既存の半導体レーザーやLEDよりも最大100倍強力です。

アプリケーション

この研究により、高密度の電子を大量に注入することが可能になり、電子注入の効率が向上します。これにより、ダイヤモンドをベースにした単一光子源と発光ダイオードの輝度を大幅に向上させることができます。

研究者によると、スーパーインジェクションは、2D材料から従来のワイドバンドギャップ半導体に至るまで、さまざまな半導体で発生する可能性があります。

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これにより、Li-Fi（光無線通信）用の光源、早期疾患診断用の光学機器、量子インターネット用の送信機、および新しい種類のレーザーとともに、高効率の紫、紫外線、白、および青のLEDの製造が可能になります。 。