Sciencemag.cz
Doporučujeme
U diod LED i laserů se využívá jev zvaný superinjekce (superinjection). Generování světla (nebo alespoň dostatečně intenzivního světla) je podporováno tím, že v materiálu dochází k intenzivní rekombinaci elektronů a děr. Jak se dosud předpokládalo, v samotných polovodičích nic takového možné není, protože se zde nikdy nevyskytují v dostatečně vysoké koncentraci elektrony a díry současně.
Světelné zdroje se proto konstruují z kombinovaných polovodičových materiálů, heterostruktur; možnou kombinací je třeba umístit jeden polovodič mezi dva s vyšší hodnotou zakázaného pásu. Superinjekce pak znamená, že po připojení napětí dosáhne v prostředním polovodiči koncentrace elektronů a děr řádově vyšších hodnot než v polovodičích vnějších. (S myšlenkou přišli v 60. letech Zhores Alferov a Herbert Kroemer a roku 2000 za ni obdrželi Nobelovu cenu za fyziku.) Tento postup ale není bezproblémový, protože při něm nelze kombinovat libovolné polovodiče. Musejí mít stejnou krystalovou strukturu, jinak by na rozhraní vzniklo příliš mnoho defektů a struktura by nezískala požadované elektrické vlastnosti.
Vědci z moskevského Ústavu pro fyziku a technologii (Moscow Institute of Physics and Technology) publikovali nyní v Semiconductor Science and Technology objev, podle něhož může jev superinjekce překvapivě ale nastávat i v homogenních materiálech, kde samozřejmě problém s „mechanickou nekompatibilitou“ odpadá. Navíc je homogenní materiál obecně mnohem snazší vyrobit. Autoři studie Igor Khramtsov a Dmitry Fedyani uvádějí, že superinjekce je možná ve většině polovodičů. Někdy, třeba u křemíku a germania, to vyžaduje extrémní podmínky (velmi nízké teploty), takže jev asi nebude prakticky příliš využitelný. V případě diamantu (poznámka PH: což je ale zase spíše izolant než polovodič?) nebo nitridu galia může silná superinjekce nastat i při pokojové teplotě. V diamantové diodě se vědcům pokusně podařilo připravit 10 000krát větší koncentraci volných elektronů, než se dosud považovalo za možné maximum. Diamant tak může fungovat jako velmi jasná dioda LED generující světlo v ultrafialové části spektra. Superinjekce by měla nastávat jak u klasických polovodičů (bez ohledu na šířku zakázaného pásu), tak i v některých moderních 2D materiálech.
Jako možné využití celého jevu se zmiňuje bezdrátová optická komunikace (Li-Fi), nové typy laserů, vysílače pro kvantový internet a zařízení generující záření pro diagnostiku a další medicínské využití.
http://dx.doi.org/10.1088/1361-6641/ab0569
Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes
Igor A Khramtsov and Dmitry Yu Fedyanin
Published 21 February 2019 • 2019 IOP Publishing Ltd
Zdroj: Eurekalert.org
Poznámky PH:
Proč se vlastně na jev superinjekce u běžných polovodičů přišlo tak pozdě? Proč vše dříve nefungovalo a bylo vůbec třeba vymýšlet heterostruktury?
Pokus o základní vysvětlení: základem normální diody je prostě P-N přechod, k tomu žádná superinjekce potřebná není. P-N přechod může být homogenní bez jakýchkoliv nekompatibilit s odlišnými krystalovými mřížkami, stačí např. křemík v jedné části dopovat prvkem z 3. a v druhé části z 5. skupiny (tj. prostě v jedné části bude přebytek elektronů, ve druhé přebytek děr). Nicméně diody LED nebo příslušné lasery vyžadují větší intenzitu rekombinace elektronů a děr, než nabízí běžný P-N přechod. Nejde jen o to, že prvek propouští proud pouze v jednom směru (základní princip diody), ale na rozhraní se navíc z energie uvolněné rekombinací (pokles elektronu na nižší hladinu energie) produkuje záření.
Výklad superinjekce/heterostruktur podává článek na webu Fyzikálního ústavu při výkladu právě o Nobelově ceny za fyziku v roce 2000: „Na rozdíl od poměrně složitých fyzikálních principů činnosti polovodičových laserů, jde o velmi jednoduchý nápad, jak pomocí heteropřechodů mezi různými polovodičovými materiály vytvořit potenciálové bariéry pro nositele náboje, tím lokalizovat elektrony a díry a tak výrazně zmenšit oblast, kde musí vzniknout inverze populace elektronových stavů, nutná pro činnost laserů. Současně, díky různým indexům lomu materiálů heterostruktury, vznikne ve stejném místě i účinný světlovod pro generované záření.“
Naopak při kontaktu 2 různých krystalů může docházet k nezářivé rekombinaci.
Oba polovodiče tvořící heterostrukturu se nemusí lišit jen hodnotou zakázaného pásu, ale i indexem lomu.
