Un effet physique connu sous le nom de superinjection sous-tend les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers modernes. Pendant des décennies, on a cru que cet effet se produisait uniquement dans les hétérostructures semi-conductrices, c'est-à-dire structures composées de deux ou plusieurs matériaux semi-conducteurs. Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont découvert que la superinjection était possible dans les homostructures, qui sont constitués d'un seul matériau. Cela ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour le développement des sources lumineuses. Le papier est sorti le 21 février dans le journal Science et technologie des semi-conducteurs .

Sources lumineuses à semi-conducteurs, tels que les lasers et les LED, sont au cœur de la technologie moderne. Ils permettent les imprimantes laser et Internet haut débit. Mais il y a à peine 60 ans, personne n'imaginerait que les semi-conducteurs soient utilisés comme matériaux pour des sources lumineuses vives. Le problème était que pour générer de la lumière, de tels dispositifs nécessitent des électrons et des trous - les porteurs de charge libres dans tout semi-conducteur - pour se recombiner. Plus la concentration d'électrons et de trous est élevée, plus ils se recombinent, rendre la source lumineuse plus lumineuse. Cependant, pendant longtemps, aucun dispositif semi-conducteur n'a pu être fabriqué pour fournir une concentration suffisamment élevée à la fois d'électrons et de trous.

La solution a été trouvée dans les années 1960 par Zhores Alferov et Herbert Kroemer. Ils ont proposé d'utiliser des hétérostructures, ou structures "sandwich", composé de deux ou plusieurs semi-conducteurs complémentaires au lieu d'un seul. Si l'on place un semi-conducteur entre deux semi-conducteurs avec des bandes interdites plus larges et applique une tension de polarisation directe, la concentration d'électrons et de trous dans la couche médiane peut atteindre des valeurs d'ordres de grandeur supérieures à celles des couches externes. Cet effet, connu sous le nom de surinjection, sous-tend les lasers à semi-conducteurs et les LED modernes. Sa découverte a valu à Alferov et Kroemer le prix Nobel de physique en 2000.

Cependant, deux semi-conducteurs arbitraires ne peuvent pas faire une hétérostructure viable. Les semi-conducteurs doivent avoir la même période du réseau cristallin. Autrement, le nombre de défauts à l'interface entre les deux matériaux sera trop élevé, et aucune lumière ne sera générée. Dans un sens, cela reviendrait à essayer de visser un écrou sur un boulon dont le pas de filetage ne correspond pas à celui de l'écrou. Puisque les homostructures sont composées d'un seul matériau, une partie de l'appareil est le prolongement naturel de l'autre. Bien que les homostructures soient plus faciles à fabriquer, on pensait que les homostructures ne pouvaient pas supporter la superinjection et ne sont donc pas une base viable pour des sources lumineuses pratiques.

Igor Khramtsov et Dmitry Fedyanin de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont fait une découverte qui change radicalement la perspective sur la façon dont les dispositifs électroluminescents peuvent être conçus. Les physiciens ont découvert qu'il est possible de réaliser une superinjection avec un seul matériau. De plus, la plupart des semi-conducteurs connus peuvent être utilisés.

« Dans le cas du silicium et du germanium, la superinjection nécessite des températures cryogéniques, et cela jette un doute sur l'utilité de l'effet. Mais dans le diamant ou le nitrure de gallium, une forte surinjection peut se produire même à température ambiante, " a déclaré le Dr Fedyanin. Cela signifie que l'effet peut être utilisé pour créer des appareils de marché de masse. Selon le nouveau document, la superinjection peut produire des concentrations d'électrons dans une diode en diamant qui sont de 10, 000 fois plus élevés que ceux que l'on croyait finalement possibles. Par conséquent, le diamant peut servir de base à des LED ultraviolettes des milliers de fois plus lumineuses que ce que prédisaient les calculs théoriques les plus optimistes. "Étonnamment, l'effet de la superinjection dans le diamant est 50 à 100 fois plus fort que celui utilisé dans la plupart des LED semi-conducteurs grand public et des lasers à base d'hétérostructures, " a souligné Khramtsov.

Les physiciens ont souligné que la superinjection devrait être possible dans une large gamme de semi-conducteurs, des semi-conducteurs conventionnels à large bande interdite aux nouveaux matériaux bidimensionnels. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de bleus très performants, violet, ultra-violet, et LED blanches, ainsi que des sources lumineuses pour la communication optique sans fil (Li-Fi), de nouveaux types de lasers, émetteurs pour l'internet quantique, et des dispositifs optiques pour le diagnostic précoce des maladies.