Un efecto físico conocido como superinyección subyace a los diodos emisores de luz (LED) y los láseres modernos. Durante décadas se creyó que este efecto se producía solo en heteroestructuras de semiconductores, es decir, estructuras compuestas por dos o más materiales semiconductores. Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han descubierto que la superinyección es posible en las homoestructuras, que están hechos de un solo material. Esto abre perspectivas completamente nuevas para el desarrollo de fuentes de luz. El artículo salió el 21 de febrero en la revista Ciencia y tecnología de semiconductores .

Fuentes de luz semiconductora, como láseres y LED, son el núcleo de la tecnología moderna. Permiten impresoras láser e Internet de alta velocidad. Pero hace apenas 60 años, nadie imaginaría que los semiconductores se utilicen como materiales para fuentes de luz brillante. El problema era que para generar luz, tales dispositivos requieren electrones y huecos, los portadores de carga libres en cualquier semiconductor, para recombinarse. Cuanto mayor sea la concentración de electrones y huecos, cuanto más a menudo se recombinan, haciendo que la fuente de luz sea más brillante. Sin embargo, por mucho tiempo, no se podría fabricar ningún dispositivo semiconductor para proporcionar una concentración suficientemente alta tanto de electrones como de huecos.

La solución fue encontrada en la década de 1960 por Zhores Alferov y Herbert Kroemer. Propusieron utilizar heteroestructuras, o estructuras de "sándwich", que consta de dos o más semiconductores complementarios en lugar de uno solo. Si uno coloca un semiconductor entre dos semiconductores con banda prohibida más amplia y aplica un voltaje de polarización directa, la concentración de electrones y huecos en la capa intermedia puede alcanzar valores que son órdenes de magnitud superiores a los de las capas externas. Este efecto, conocido como superinyección, subyace a los láseres semiconductores y LED modernos. Su descubrimiento le valió a Alferov y Kroemer el Premio Nobel de Física en 2000.

Sin embargo, dos semiconductores arbitrarios no pueden hacer una heteroestructura viable. Los semiconductores deben tener el mismo período de la red cristalina. De lo contrario, el número de defectos en la interfaz entre los dos materiales será demasiado alto, y no se generará luz. En cierto sentido, esto sería similar a intentar atornillar una tuerca en un perno cuyo paso de rosca no coincide con el de la tuerca. Dado que las homoestructuras se componen de un solo material, una parte del dispositivo es una extensión natural de la otra. Aunque las homoestructuras son más fáciles de fabricar, Se creía que las homoestructuras no podían soportar la superinyección y, por lo tanto, no son una base viable para fuentes de luz prácticas.

Igor Khramtsov y Dmitry Fedyanin del Instituto de Física y Tecnología de Moscú hicieron un descubrimiento que cambia drásticamente la perspectiva sobre cómo se pueden diseñar los dispositivos emisores de luz. Los físicos encontraron que es posible lograr la superinyección con un solo material. Qué es más, se pueden utilizar la mayoría de los semiconductores conocidos.

"En el caso del silicio y el germanio, la superinyección requiere temperaturas criogénicas, y esto arroja dudas sobre la utilidad del efecto. Pero en diamante o nitruro de galio, una fuerte superinyección puede ocurrir incluso a temperatura ambiente, "Dijo el Dr. Fedyanin. Esto significa que el efecto se puede utilizar para crear dispositivos de mercado masivo. Según el nuevo documento, La superinyección puede producir concentraciones de electrones en un diodo de diamante que son 10, 000 veces mayor de lo que se creía posible en última instancia. Como resultado, El diamante puede servir como base para LED ultravioleta miles de veces más brillantes de lo que predijeron los cálculos teóricos más optimistas. "Asombrosamente, el efecto de la superinyección en el diamante es de 50 a 100 veces más fuerte que el utilizado en la mayoría de los semiconductores LED y láseres del mercado masivo basados ​​en heteroestructuras, "Señaló Khramtsov.

Los físicos enfatizaron que la superinyección debería ser posible en una amplia gama de semiconductores, desde semiconductores convencionales de banda ancha hasta nuevos materiales bidimensionales. Esto abre nuevas perspectivas para el diseño de azul altamente eficiente, Violeta, ultravioleta, y LEDs blancos, así como fuentes de luz para comunicación inalámbrica óptica (Li-Fi), nuevos tipos de láseres, transmisores para internet cuántico, y dispositivos ópticos para el diagnóstico temprano de enfermedades.