Des chercheurs découvrent un défaut physique dans un semi-conducteur que l'on croyait impossible

• Les chercheurs présentent une toute nouvelle perspective de la conception d'appareils électroluminescents.
• Les diamants peuvent être utilisés pour fabriquer des appareils d'éclairage 100 fois plus lumineux que les LED et les lasers existants.
• Cela pourrait permettre la fabrication de sources lumineuses pour le Li-Fi et d'émetteurs pour l'internet quantique.

De nombreux dispositifs semi-conducteurs fonctionnent en créant une haute densité de porteurs hors d'équilibre sous une tension de polarisation. De tels porteurs (électrons et trous) sont capables de se recombiner ou de modifier les propriétés du semi-conducteur, et ce phénomène peut être exploité pour la modulation de la lumière.

L'intensité de la lumière est proportionnelle à la concentration d'électrons et de trous et à la vitesse à laquelle ils se recombinent. Les appareils modernes comme les lasers et les LED (utilisés dans l'Internet haut débit et les imprimantes laser) reposent sur ce processus.

Cependant, il n'existe pas de semi-conducteur capable de fournir une concentration suffisante d'électrons et de trous. Dans les années 60, des scientifiques ont trouvé une solution :des hétérostructures contenant au moins deux semi-conducteurs.

Dans de telles hétérostructures, un semi-conducteur est pris en sandwich entre deux semi-conducteurs avec des bandes interdites plus importantes. De cette façon, la concentration d'électrons et de trous de la couche intermédiaire peut être augmentée à un niveau suffisamment élevé en appliquant une tension de polarisation directe. Cet effet est appelé superinjection , et c'est ainsi que sont fabriqués les LED et les lasers modernes.

Pour créer une hétérostructure viable, il est important de sélectionner des semi-conducteurs qui ont la même période du réseau cristallin. Il en résulte moins de défauts à l'interface entre le semi-conducteur, et donc une source lumineuse plus lumineuse.

Ces hétérostructures sont difficiles à fabriquer par rapport aux homostructures (faites d'un seul semi-conducteur). Pendant des années, les scientifiques ont essayé d'utiliser des homostructures pour construire des sources lumineuses, mais ils n'ont pas encore obtenu de succès.

Superinjection dans les homostructures

Récemment, des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont publié un article dans lequel ils décrivaient une toute nouvelle perspective de conception de dispositifs électroluminescents.

L'article montre que la superinjection peut être réalisée avec un seul semi-conducteur. Et la meilleure chose est que cela peut être fait en utilisant des semi-conducteurs bien connus et déjà disponibles.

Référence :IOPScience | DOI :10.1088/1361-6641/ab0569 | MIPT

À l'heure actuelle, les semi-conducteurs au silicium et au germanium sont utilisés pour fabriquer des sources de lumière vive, qui prennent en charge la superinjection à des températures cryogéniques. Cependant, dans le cas du nitrure de gallium et du diamant, une forte surinjection pourrait se produire à température ambiante. Leur effet pourrait être utilisé pour produire des équipements grand public.

Illustration d'homo- et hétérostructures | Crédit : MIPT

La superinjection dans les diamants peut générer des concentrations 10 000 fois plus élevées que ce que l'on supposait finalement possible. Par conséquent, les diamants peuvent être utilisés comme base pour des diodes électroluminescentes ultraviolettes des milliers de fois plus lumineuses que les calculs précédents les plus optimistes. De plus, son effet est jusqu'à 100 fois plus puissant que les lasers à semi-conducteurs et les LED existants basés sur des hétérostructures.

Applications

L'étude permet d'injecter une haute densité d'électrons dans un grand volume, améliorant l'efficacité de l'injection d'électrons, ce qui peut augmenter considérablement la luminosité des sources à photon unique et des diodes électroluminescentes à base de diamant.

Selon les chercheurs, la superinjection peut se produire dans divers semi-conducteurs, allant des matériaux 2D aux semi-conducteurs conventionnels à large bande interdite.

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Cela pourrait permettre la fabrication de LED violettes, ultraviolettes, blanches et bleues très efficaces, ainsi que des sources lumineuses pour le Li-Fi (communication optique sans fil), des instruments optiques pour le diagnostic précoce des maladies, des émetteurs pour l'internet quantique et de nouveaux types de lasers. .