一种被称为“超注入”的物理效应构成了现代发光二极管(led)和激光的基础。

几十年来，人们认为这种效应只发生在半导体异质结构中，即由两种或两种以上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，在由单一材料构成的均质结构中，可能存在超注入现象。这为光源的发展开辟了全新的前景。

这篇论文发表在《半导体科学与技术》杂志上(“金刚石同结P-I-N二极管的超注入”)。

插图:Homo-和异质结构。

半导体光源，如激光器和led，是现代技术的核心。它们使激光打印机和高速互联网成为可能。但是仅仅在60年前，没有人会想到半导体会被用作明亮光源的材料。问题在于，要产生光，这种器件需要电子和空穴(任何半导体中的自由载流子)进行重组。电子和空穴的浓度越高，它们重新结合的频率就越高，使得光源更亮。

然而，长期以来，没有一种半导体器件能够同时提供足够高的电子和空穴浓度。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，而不是仅仅一个。

如果在两个带隙更大的半导体之间放置半导体，并施加正向偏置电压，中间层的电子和空穴浓度可以达到比外层高几个数量级的值。这种效应被称为“超注入”，是现代半导体激光器和led的基础。

这一发现为阿尔费罗夫和克雷默赢得了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。半导体需要有相同的晶格周期。否则，两种材料的界面缺陷数量会过多，不会产生光。

在某种程度上，这类似于试图在螺距与螺母不匹配的螺栓上拧紧螺母。由于同伦结构只由一种材料组成，所以器件的一部分是另一部分的自然延伸。虽然同伦结构更容易制作，但人们认为同伦结构不支持超注入，因此不是实际光源的可行基础。

莫斯科物理与技术研究所的Igor Khramtsov和Dmitry Fedyanin的一项发现，彻底改变了人们对如何设计发光器件的看法。

物理学家们发现，只用一种材料就能实现超注入是可能的。更重要的是，大多数已知的半导体可以使用。“在硅和锗的情况下，重复注入需要低温，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，这种效应可以用于创造大规模的市场设备。根据这篇新论文，在金刚石二极管中，超注入可以产生比之前认为最终可能产生的电子浓度高出1万倍的电子浓度。因此，钻石可以作为紫外线发光二极管的基础，其亮度是最乐观的理论计算预测的数千倍。Khramtsov指出:“令人惊讶的是，金刚石中的超注入效应比大多数大众市场上使用的半导体led和基于异质结构的激光器强50到100倍。”物理学家们强调，从传统的宽禁带半导体到新型的二维材料，超注入应该可以在大范围的半导体中实现。

这为设计高效的蓝色、紫色、紫外和白色led，以及用于光学无线通信(Li-Fi)的光源、新型激光器、量子互联网发射机和用于早期疾病诊断的光学设备开辟了新的前景。