SSaT: ученые МФТИ пришли к открытию «невозможного» эффекта в полупроводниках

Физики из Московского физико-технического института (МФТИ), расположенного в Долгопрудном, совершили научное открытие, которое может кардинально пересмотреть подходы к разработке лазеров и светодиодов. Они обнаружили, что один из ключевых эффектов, ранее считавшийся неосуществимым в "чистых" полупроводниковых материалах, может быть успешно реализован при комнатной температуре. Эти результаты, опубликованные в авторитетном журнале Semiconductor Science and Technology, привлекли внимание научного сообщества и были освещены РИА Новости.

Дмитрий Федянин, один из соавторов исследования, пояснил: "Традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний и германий, демонстрируют аналогичные эффекты только при криогенных температурах, что существенно ограничивает их практическое применение. Однако в алмазе и нитриде галлия данный эффект проявляется при обычных условиях, что открывает новые перспективы для массового использования в различных технологических устройствах."

Группа под руководством Федянина на протяжении нескольких лет занимается изучением новых источников света, фокусируясь на редко применяемых материалах, таких как алмазы и нитрид галлия. Например, два года назад ученым удалось преобразовать алмазы с примесями в устройства для генерации одиночных фотонов. В 2018 году они разработали сверхбыстрые лазеры на основе карбида кремния, что имеет значительный потенциал для ускорения развития технологий передачи данных.

Недавно Дмитрий Федянин и Игорь Храмцов выявили перспективность алмазов для создания мощных лазеров. Ранее считалось, что ключевым препятствием является недостаточная концентрация носителей заряда (электронов и "дырок") в чистых полупроводниках. Решение этой проблемы было предложено советскими и немецкими физиками полвека назад: использование многослойных структур из полупроводников с различными свойствами позволяет значительно увеличить концентрацию носителей заряда в центральной области или на границах слоев.

Этот эффект, известный как "суперинжекция", широко применяется в современных лазерах. Однако ранее предполагалось, что он возможен исключительно в гетероструктурах с различными составами полупроводников, что ограничивало возможности создания мощных лазеров на основе микроэлектронных материалов, таких как кремний. Результаты российского исследования опровергли данное предположение. Ученые изучили поведение носителей заряда в многослойных структурах, состоящих из алмазных пластинок с различными примесями.

При оптимальной конфигурации слоев и их ширины удалось достичь эффекта, аналогичного суперинжекции, что привело к увеличению концентрации электронов внутри структуры в 10 тысяч раз. Сравнительный анализ с традиционными материалами показал, что алмазы не только демонстрируют аналогичные характеристики, но и обладают почти в сто раз более высокой эффективностью.

Пресс-служба МФТИ подчеркивает, что данное открытие может привести к разработке ультрафиолетовых светодиодов, превосходящих существующие аналоги по яркости в тысячи раз. Эти устройства могут быть созданы не только из алмазов, но и из других сверхпроводящих материалов, что значительно снизит себестоимость производства и увеличит их мощность.