半導(dǎo)體研究人員發(fā)現(xiàn)了被認(rèn)為是不可能的效應(yīng)
一種稱(chēng)為“超注入”的物理效應(yīng)是現(xiàn)代發(fā)光二極管（LED）和激光器的基礎(chǔ)。幾十年來(lái)，這種效應(yīng)被認(rèn)為只發(fā)生在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中——也就是說(shuō)，由兩種或更多半導(dǎo)體材料組成的結(jié)構(gòu)。 uh`~K6&*\w
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莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，在由單一材料制成的同質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)超注入。這為光源的發(fā)展開(kāi)辟了全新的前景。這篇論文發(fā)表在Semiconductor Science and Technology（“Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes”）上。
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插圖：同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)。（圖像來(lái)源：莫斯科物理與技術(shù)研究所） :8yrtbf$
半導(dǎo)體光源，如激光器和發(fā)光二極管，是現(xiàn)代技術(shù)的核心。它們使得激光打印機(jī)和高速互聯(lián)網(wǎng)成為可能。但僅僅在60年前，沒(méi)有人會(huì)想到半導(dǎo)體被用作光源的材料。問(wèn)題是，要產(chǎn)生光，這些器件需要電子和空穴（任何半導(dǎo)體中的自由電荷載流子）重新組合。電子和空穴的濃度越高，它們復(fù)合的頻率就越高，從而使光源更亮。然而，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有一種半導(dǎo)體器件能夠提供足夠高的電子和空穴濃度。 B=|yjA'Fg
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這一解決方案是在20世紀(jì)60年代由zhores Alferov和Herbert Kroemer發(fā)現(xiàn)的。他們建議使用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，或“三明治”結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)半導(dǎo)體組成，而不僅僅是一個(gè)半導(dǎo)體。如果在兩個(gè)帶隙更寬的半導(dǎo)體之間放置一個(gè)半導(dǎo)體，并施加正向偏壓，則中間層的電子和空穴的濃度可以達(dá)到比外層的高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的值。這種被稱(chēng)為“超注入”的效應(yīng)是現(xiàn)代半導(dǎo)體激光器和LED的基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)為Alferov和Kroemer贏得了2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 %Xkynso~
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然而，兩個(gè)任意的半導(dǎo)體不能形成一個(gè)可行的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體需要具有相同的晶格周期。否則，兩種材料之間的界面缺陷數(shù)量將會(huì)太多，不會(huì)產(chǎn)生光。在某種程度上，這類(lèi)似于在螺紋螺距與螺母螺距不匹配的螺栓上擰螺母。 lT1*e(I
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由于同質(zhì)結(jié)構(gòu)僅由一種材料組成，因此裝置的一部分是另一部分的自然延伸。盡管同質(zhì)結(jié)構(gòu)易于制造，但人們認(rèn)為同質(zhì)結(jié)構(gòu)不能支持超注入，因此不能作為實(shí)際光源的可行基礎(chǔ)。 VO. Y\8/
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來(lái)自莫斯科物理技術(shù)研究所的Igor Khramtsov和Dmitry Fedyanin的發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)如何設(shè)計(jì)發(fā)光器件的看法。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只用一種材料就可以實(shí)現(xiàn)超注入。而且，大多數(shù)已知的半導(dǎo)體都可以使用。 6Q> :g"_
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在硅和鍺的情況下，超注入需要低溫，這使人們對(duì)這種效應(yīng)的效用產(chǎn)生懷疑。但在金剛石或氮化鎵中，即使在室溫下也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的超注入。 LvhF@%(9 J
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這意味著這種效應(yīng)可以用來(lái)制造大規(guī)模的市場(chǎng)設(shè)備。根據(jù)這篇新論文，在一個(gè)金剛石二極管中，超注入可以產(chǎn)生比先前認(rèn)為最終可能產(chǎn)生的電子濃度高出10000倍的電子濃度。因此，金剛石可以作為紫外線(xiàn)發(fā)光二極管的基礎(chǔ)，比最樂(lè)觀(guān)的理論計(jì)算所預(yù)測(cè)的亮度高出數(shù)千倍。 -}PD0Pzg;=
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Khramtsov指出：“令人驚訝的是，金剛石中的超注入效應(yīng)比大多數(shù)基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管和激光器中的超注入效應(yīng)強(qiáng)50到100倍�！� >d#B149
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物理學(xué)家強(qiáng)調(diào)，從傳統(tǒng)的寬帶隙半導(dǎo)體到新型的二維材料，在各種各樣的半導(dǎo)體中都可以實(shí)現(xiàn)超注入。這為設(shè)計(jì)高效的藍(lán)色、紫色、紫外線(xiàn)和白色LED以及用于光無(wú)線(xiàn)通信（LI-FI）的光源、新型激光器、量子互聯(lián)網(wǎng)發(fā)射器和用于早期疾病診斷的光學(xué)設(shè)備開(kāi)辟了新的前景。 g7_ a8_
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原文鏈接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52649.php（實(shí)驗(yàn)幫譯）
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