Свет в полупроводниковых устройствах генерируется при рекомбинации электронов и дырок — носителей заряда в полупроводниках. В этом процессе встретившиеся электроны и дырки исчезают, порождая кванты света. Чем выше их концентрация, тем чаще они рекомбинируют и ярче светит источник света. Однако в приборах, изготавливаемых на основе одного полупроводника, не удавалось получить достаточно высокой концентрации одновременно и электронов, и дырок.
Читатели, безусловно, знают, что решение проблемы в 1960-е годы нашли Жорес Алфёров и Герберт Кремер, получившие за свои работы Нобелевскую премию по физике за 2000 год. Они разработали так называемые гетероструктуры — «слойки» из двух и более специально подобранных полупроводников. Оказалось, что при прохождении тока через структуру, где полупроводник с меньшей шириной запрещённой зоны находится между двумя полупроводниками с большей шириной запрещённой зоны и разным типом проводимости, в центральном полупроводнике возникает концентрация электронов и дырок на несколько порядков выше, чем в окружающих полупроводниках. Электроны и дырки, попавшие в центральный слой благодаря току, удерживаются в нём потенциальными барьерами, возникающими в местах контакта полупроводников. Это явление, названное суперинжекцией, и стало основой работы современных полупроводниковых светодиодов и лазеров.
При создании гетероструктуры самая большая проблема — подбор полупроводников для неё. Дело в том, что не любые вещества можно объединить в гетероструктуру. При несовпадении периодов кристаллических решёток в области соединения полупроводников образуется большое число дефектов решётки, которые приведут к тому, что потенциальные барьеры ослабнут и эффект суперинжекции не возникнет. Это подобно попытке вставить электрическую вилку в неподходящую розетку. В результате мы просто повредим их.
Такого недостатка лишены гомоструктуры, слои которых состоят из одного вещества, но с примесями, обеспечивающими разные типы проводимости. В этом случае они служат естественным продолжением друг друга. Однако до сих пор считалось, что суперинжекция в таких структурах невозможна, а значит, на их основе нельзя создавать яркие источники света.
Игорь Храмцов и Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сделали открытие, которое может радикально изменить принципы построения светоизлучающих устройств. Они теоретически предсказали возможность суперинжекции в так называемом p-i-n диоде, в котором используется лишь одно вещество, причём для его создания подходит большинство известных полупроводников.
p-i-n диод — полупроводниковый прибор, в котором между областями электронной (n-область) и дырочной (p-область) проводимости находится «чистый» полупроводник без примесей (i-область). В отличие от него p- и n-области получаются легированием — добавлением к этому материалу соответствующих примесей. Численное моделирование показывает, что при протекании тока через диод в i-области возможна суперинжекция, как и в гетероструктурах. Кроме того, авторы исследования показали, что эффективность инжекции электронов может быть дополнительно улучшена с помощью создания i-p решётки («слойки» из нескольких чередующихся слоёв типа i и p) в i-области диода.
Если p-i-n диоды из кремния или германия для возникновения супер- инжекции требуют очень низких температур, что не позволяет их использовать на практике, то в таких материалах, как алмаз и нитрид галлия, сильная суперинжекция может наблюдаться уже при комнатной температуре. Это означает, что p-i-n диоды на их основе можно применять в создании светоизлучающих устройств для массового рынка.
Физики исследовали p-i-n диод на основе алмаза, который лишь недавно стал использоваться как материал для диодов. Область n-типа легирована фосфором, а р-типа — бором. По возможностям легирования и целому ряду свойств алмаз не может конкурировать с большинством полупроводников. Однако эти же свойства делают алмаз уникальным материалом, способным работать при таких токах инжекции, при которых другие полупроводники выгорают. Расчёты показывают, что суперинжекция в алмазном диоде способна превысить максимальную «обычную» концентрацию электронов в алмазе в 10 000 раз. Таким образом, на основе алмаза можно создать ультрафиолетовые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали теоретические расчёты, выполненные ранее без учёта суперинжекции. Более того, эффект суперинжекции в алмазе оказывается в 50—100 раз сильнее того, который в настоящее время имеет место в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур.
Суперинжекция в гомоструктурах (p-i-n диодах) на основе многих полупроводниковых материалов, начиная от хорошо известных нитрида галлия и карбида кремния и заканчивая двумерными материалами, открывает новые возможности для создания высокоэффективных синих, фиолетовых, ультрафиолетовых и белых светодиодов.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Semiconductor Science and Technology». Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
