🇷🇺 Горизонты технологий. Лазеры. Алмазы. Суперинжекция. Россия

Учёные МФТИ открыли путь к лазерам на алмазах

Это далеко не новость, соответствующие исследования проведены несколько лет тому назад, но тема продолжает быть актуальной.

Работы учёных из Московского физико-технического института (МФТИ) изменили представление о возможностях полупроводников на основе чистых материалов.

Речь идёт о реализации ключевого для работы лазеров и светодиодов эффекта - суперинжекции - в чистых материалах, таких как алмаз и нитрид галлия, при комнатной температуре.

Ранее это считалось неосуществимым.

🎓 Что такое суперинжекция и почему она считалась невозможной в алмазах?

В обычном светодиоде, чтобы он засветился, нужно создать в полупроводнике избыток электронов и дырок (носителей заряда) и заставить их рекомбинировать, излучая фотоны. Суперинжекция — это состояние, когда концентрация этих «лишних» носителей заряда в активной зоне устройства превышает их концентрацию в прилегающих слоях. Это фундаментальное условие для генерации лазерного излучения.

Проблема с такими материалами, как алмаз, в их исходно высокой чистоте и в широкой запрещённой зоне. В них мало свободных носителей заряда, и потому считалось невозможным создание высокой концентрации носителей, необходимой для суперинжекции.

Считалось, что эффективная суперинжекция возможна только в гетероструктурах - в многослойных системах из разных по составу материалов (например, арсенид галлия-алюминия).

💡 Суть открытия МФТИ

Российские ученые показала, что суперинжекции можно достичь и в чистых материалах, создавая многослойные структуры на их основе, в которых на границах слоев или в центральной области концентрация носителей резко возрастает.

В частности, Игорь Храмцов и Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ МФТИ, показали, что в алмазных p-i-n-диодах (структурах с областями p-типа, i-типа (нелегированной) и n-типа) можно достичь суперинжекции при комнатной температуре. В таких диодах область n-типа легирована фосфором, а p-типа — бором.

Суперинжекция в алмазном диоде позволяет превзойти ранее считавшуюся максимальной концентрацию электронов в алмазе в 10 000 раз.
Эффект в алмазе оказался в 50–100 раз сильнее, чем в большинстве полупроводниковых светодиодов и лазеров на основе гетероструктур.

Почему это интересно?

Раньше подобные эффекты в чистых полупроводниках наблюдались лишь вблизи абсолютного нуля. Теперь их добились в обычных условиях комнатной температуры.

Это открыло дорогу к созданию полупроводниковых лазеров на алмазах и нитриде галлия. Такие лазеры потенциально могут быть компактнее, эффективнее, они могли бы работать в более жёстких условиях (из-за исключительной теплопроводности алмаза) и на новых длинах волн.

На основе алмаза можно создать эффективные синие, фиолетовые, ультрафиолетовые и белые светодиоды, которые будут в тысячи раз ярче, чем предсказывали предыдущие теоретические расчёты. Такие источники могут пригодиться, например, в системах Li-Fi и в передатчиках систем оптоволоконной связи. (..)