半导体研究人员发现了被认为是不可能的效应

一种称为“超注入”的物理效应是现代发光二极管（LED）和激光器的基础。几十年来，这种效应被认为只发生在半导体异质结构中——也就是说，由两种或更多半导体材料组成的结构。

莫斯科物理与技术研究所的研究人员发现，在由单一材料制成的同质结构中，可以实现超注入。这为光源的发展开辟了全新的前景。这篇论文发表在Semiconductor Science and Technology（“Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes”）上。

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插图：同质和异质结构。（图像来源：莫斯科物理与技术研究所）

半导体光源，如激光器和发光二极管，是现代技术的核心。它们使得激光打印机和高速互联网成为可能。但仅仅在60年前，没有人会想到半导体被用作光源的材料。问题是，要产生光，这些器件需要电子和空穴（任何半导体中的自由电荷载流子）重新组合。电子和空穴的浓度越高，它们复合的频率就越高，从而使光源更亮。然而，在很长一段时间内，没有一种半导体器件能够提供足够高的电子和空穴浓度。

这一解决方案是在20世纪60年代由zhores Alferov和Herbert Kroemer发现的。他们建议使用异质结构，或“三明治”结构，由两个或多个互补半导体组成，而不仅仅是一个半导体。如果在两个带隙更宽的半导体之间放置一个半导体，并施加正向偏压，则中间层的电子和空穴的浓度可以达到比外层的高出几个数量级的值。这种被称为“超注入”的效应是现代半导体激光器和LED的基础。这一发现为Alferov和Kroemer赢得了2000年的诺贝尔物理学奖。

然而，两个任意的半导体不能形成一个可行的异质结构。半导体需要具有相同的晶格周期。否则，两种材料之间的界面缺陷数量将会太多，不会产生光。在某种程度上，这类似于在螺纹螺距与螺母螺距不匹配的螺栓上拧螺母。

由于同质结构仅由一种材料组成，因此装置的一部分是另一部分的自然延伸。尽管同质结构易于制造，但人们认为同质结构不能支持超注入，因此不能作为实际光源的可行基础。

来自莫斯科物理技术研究所的Igor Khramtsov和Dmitry Fedyanin的发现彻底改变了人们对如何设计发光器件的看法。物理学家发现，只用一种材料就可以实现超注入。而且，大多数已知的半导体都可以使用。

在硅和锗的情况下，超注入需要低温，这使人们对这种效应的效用产生怀疑。但在金刚石或氮化镓中，即使在室温下也会发生强烈的超注入。

这意味着这种效应可以用来制造大规模的市场设备。根据这篇新论文，在一个金刚石二极管中，超注入可以产生比先前认为最终可能产生的电子浓度高出10000倍的电子浓度。因此，金刚石可以作为紫外线发光二极管的基础，比最乐观的理论计算所预测的亮度高出数千倍。

Khramtsov指出：“令人惊讶的是，金刚石中的超注入效应比大多数基于异质结构的半导体发光二极管和激光器中的超注入效应强50到100倍。”

物理学家强调，从传统的宽带隙半导体到新型的二维材料，在各种各样的半导体中都可以实现超注入。这为设计高效的蓝色、紫色、紫外线和白色LED以及用于光无线通信（LI-FI）的光源、新型激光器、量子互联网发射器和用于早期疾病诊断的光学设备开辟了新的前景。

原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52649.php（实验帮译）

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