同质结中的“超注入”现象：半导体光源迎来新机遇！

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同质结中的“超注入”现象：半导体光源迎来新机遇！

2019 年 4 月 23 日 IntelligentThings

导读

据俄罗斯莫斯科物理技术学院官网近日报道，该校研究人员发现同质结中可产生“超注入”现象。这项发现为开发光源开辟了全新的前景。

背景

一种称为“超注入”的物理效应构成了现代发光二极管（LED）与激光器的基础。数十年来，科学家们相信这种效应仅在半导体异质结中发生。异质结，是指由两种或者更多的半导体材料组成的结构。

双异质结激光器（图片来源：维基百科）

创新

近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）的研究人员发现“超注入”可在同质结中产生，同质结仅由一种材料组成。这项发现为开发光源开辟了全新的前景。这篇论文于2月21日发表在《半导体科学与技术（Semiconductor Science and Technology）》期刊上。

（图片来源：tsarcyanide/MIPT新闻办公室）

技术

半导体光源，例如激光器或者LED，是现代的核心技术。它们使激光打印机和高速互联网成为可能。但是，仅在60年之前，还没有人会想到半导体可以成为明亮光源的材料。问题在于，为了产生光线，这种器件需要电子与空穴（任何半导体中的自由载流子）重新结合。电子与空穴的浓度越高，它们重新结合得越频繁，光源就越亮。然而，长时间以来，科学家制造出来的半导体器件都无法提供足够高的电子与空穴浓度。

若列斯·阿尔费罗夫(Zhores Alferov)和赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)找到了解决方案。他们提议采用异质结，或称“三明治”结构，由两个或者更多的互补半导体组成，而不是仅由一种半导体组成。如果我们将一个半导体放在两个具有较宽带隙的半导体之间，并施加一个正向偏压，中间层中的电子与空穴浓度所达到的值，会比外层中高几个数量级。这种效应也称为“超注入“，它构成了现代半导体激光器和LED的基础。这一发现也使得阿尔费罗夫和克勒默获得了2000年的诺贝奖。

然而，并不是任意两种半导体都能制成有效的异质结。这些半导体需要具有相同的晶格周期。否则，两种材料交界处的缺陷数量会太多，无法生成光线。这种方式就像尝试在螺栓上拧紧螺母，可是螺栓的螺距与螺母的螺距并不匹配。由于同质结仅由一种材料组成，所以器件的一部分是另一部分的自然延伸。尽管同质结更便于制造，但是人们却认为同质结无法支持超注入，因此无法应用于实用光源。

莫斯科物理技术学院的伊戈尔·基拉穆索夫（Igor Khramtsov）和德米特里·费佳宁（Dmitry Fedyanin）的发现，彻底改变了关于发光器件如何设计的观点。物理学家们发现，仅用一种材料也可以实现超注入。此外，大多数已知的半导体都可以使用。

费佳宁博士表示：“以硅和锗为例，超注入需要低温，这使得人们对于这个效应的效用产生了怀疑。但是，在金刚石或者氮化镓中，强烈的超注入，甚至可以在室温条件下产生。”

这意味着，这种效应可用于创造大众市场的器件。据这篇新论文称，超注入在金刚石二极管中生成的电子浓度，比以前认为是最终可能实现的电子浓度，要高一万倍。因此，金刚石成为了紫外线LED的基础，这种紫外线LED比最乐观的理论预测结果明亮几千倍。基拉穆索夫指出：“令人吃惊的是，金刚石中的超注入效应比大多数基于异质结的大众市场半导体LED和激光器强50到100倍。”

价值

物理学家们强调，超注入现象可在各种半导体中实现，从传统的宽带隙半导体到新型二维材料。这将为设计高效的蓝光、紫光、紫外光和白光LED，以及用于光学无线通信（Li-Fi）的光源、新型激光器、量子网络的发射机和诊断疾病所用的光学器件，开辟新的前景。

基于LED的可见光通信系统(图片来源IMDEA Networks)