一種被稱為“超注入”的物理效應構成了現代發光二極管(led)和激光的基礎。
幾十年來，人們認為這種效應只發生在半導體異質結構中，即由兩種或兩種以上半導體材料組成的結構。莫斯科物理與技術研究所的研究人員發現，在由單一材料構成的均質結構中，可能存在超注入現象。這為光源的發展開闢了全新的前景。
這篇論文發表在《半導體科學與技術》雜誌上(“金剛石同結P-I-N二極管的超注入”)。
插圖:Homo-和異質結構。
半導體光源，如激光器和led，是現代技術的核心。它們使激光打印機和高速互聯網成為可能。但是僅僅在60年前，沒有人會想到半導體會被用作明亮光源的材料。問題在於，要產生光，這種器件需要電子和空穴(任何半導體中的自由載流子)進行重組。電子和空穴的濃度越高，它們重新結合的頻率就越高，使得光源更亮。
然而，長期以來，沒有一種半導體器件能夠同時提供足夠高的電子和空穴濃度。解決方案是在20世紀60年代由Zhores Alferov和Herbert Kroemer發現的。他們建議使用異質結構，或“三明治”結構，由兩個或多個互補半導體組成，而不是僅僅一個。
如果在兩個帶隙更大的半導體之間放置半導體，並施加正向偏置電壓，中間層的電子和空穴濃度可以達到比外層高几個數量級的值。這種效應被稱為“超注入”，是現代半導體激光器和led的基礎。
這一發現為阿爾費羅夫和克雷默贏得了2000年的諾貝爾物理學獎。然而，兩個任意的半導體不能形成一個可行的異質結構。半導體需要有相同的晶格週期。否則，兩種材料的界面缺陷數量會過多，不會產生光。
在某種程度上，這類似於試圖在螺距與螺母不匹配的螺栓上擰緊螺母。由於同倫結構只由一種材料組成，所以器件的一部分是另一部分的自然延伸。雖然同倫結構更容易製作，但人們認為同倫結構不支持超注入，因此不是實際光源的可行基礎。
莫斯科物理與技術研究所的Igor Khramtsov和Dmitry Fedyanin的一項發現，徹底改變了人們對如何設計發光器件的看法。
物理學家們發現，只用一種材料就能實現超注入是可能的。更重要的是，大多數已知的半導體可以使用。“在硅和鍺的情況下，重複注入需要低溫，這使人們對這種效應的效用產生懷疑。但在金剛石或氮化鎵中，即使在室溫下也會發生強烈的超注入。
這意味著，這種效應可以用於創造大規模的市場設備。根據這篇新論文，在金剛石二極管中，超注入可以產生比之前認為最終可能產生的電子濃度高出1萬倍的電子濃度。因此，鑽石可以作為紫外線發光二極管的基礎，其亮度是最樂觀的理論計算預測的數千倍。Khramtsov指出:“令人驚訝的是，金剛石中的超注入效應比大多數大眾市場上使用的半導體led和基於異質結構的激光器強50到100倍。”物理學家們強調，從傳統的寬禁帶半導體到新型的二維材料，超注入應該可以在大範圍的半導體中實現。
這為設計高效的藍色、紫色、紫外和白色led，以及用於光學無線通信(Li-Fi)的光源、新型激光器、量子互聯網發射機和用於早期疾病診斷的光學設備開闢了新的前景。