Ilmuwan Temukan Defek Semikonductor Sebelumnya Tidak Mungkin

• Peneliti menunjukkan perspektif baru sepenuhnya dalam merancang perangkat pemancar cahaya.
• Berlian dapat digunakan untuk membuat perangkat cahaya 100 kali lebih terang dari LED dan laser yang ada.
• Ini memungkinkan pembuatan sumber cahaya untuk Li-Fi dan pengemudi untuk internet kuantum.

Banyak perangkat semikonductor bekerja dengan menciptakan kepadatan pengisi yang tidak seimbang tinggi pada tegangan bias. Pengisi semacam itu (elektron dan lubang) mampu merekombinasi atau mengubah properti semikonductor, dan fenomena ini dapat dieksploitasi untuk modulasi cahaya.

Intensitas cahaya proporsional dengan konsentrasi elektron dan lubang dan seberapa cepat mereka merekombinasi. Perangkat modern seperti laser dan LED (digunakan dalam internet berkecepatan tinggi dan printer laser) bergantung pada proses ini.

Namun, tidak ada semikonductor yang dapat memberikan konsentrasi elektron dan lubang yang cukup. Pada tahun 1960, ilmuwan menemukan solusi – heterostruktur yang berisi dua atau lebih semikonductor.

Dalam heterostruktur semacam itu, sebuah semikonductor dicantumkan di antara dua semikonductor dengan bandgap yang lebih besar. Dengan cara ini, konsentrasi elektron dan lubang lapisan tengah dapat ditingkatkan ke tingkat yang cukup tinggi dengan menerapkan tegangan bias maju. Efek ini disebut superinjeksi, dan inilah cara LED dan laser modern dibuat.

Untuk membuat heterostruktur yang feasible, penting untuk memilih semikonductor yang memiliki periode jaringan kristal yang sama. Ini menghasilkan lebih sedikit defek di antarmuka antara semikonductor, dan oleh karena itu sumber cahaya yang lebih terang.

Heterostruktur ini sulit dibuat dibandingkan homostruktur (terbuat dari satu semikonductor). Selama bertahun-tahun, ilmuwan mencoba menggunakan homostruktur untuk membangun sumber cahaya, tetapi mereka belum mencapai kesuksesan apapun.

Superinjeksi dalam Homostruktur

Baru-baru ini, peneliti di Moscow Institute of Physics and Technology menerbitkan makalah di mana mereka menjelaskan perspektif baru sepenuhnya dalam merancang perangkat pemancar cahaya.

Makalah menunjukkan bahwa superinjeksi dapat dicapai dengan hanya satu semikonductor. Dan hal terbaiknya adalah ini dapat dilakukan dengan menggunakan semikonductor yang sudah terkenal dan tersedia.

Referensi: IOPScience | DOI:10.1088/1361-6641/ab0569 | MIPT

Saat ini, semikonductor silikon dan germanium digunakan untuk membuat sumber cahaya terang, yang mendukung superinjeksi pada suhu kriogenik. Namun, dalam hal nitrida galium dan berlian, superinjeksi kuat dapat terjadi pada suhu ruang. Efek mereka dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan peralatan massal.

Ilustrasi homo- dan heterostruktur | Kredit: MIPT

Superinjeksi dalam berlian dapat menghasilkan konsentrasi 10.000 kali lebih tinggi dari yang diasumsikan sebagai akhirnya mungkin. Oleh karena itu, berlian dapat digunakan sebagai dasar untuk dioda pemancar cahaya ultraviolet ribuan kali lebih terang dari perhitungan sebelumnya yang paling optimis. Selain itu, efeknya hingga 100 kali lebih kuat dari laser semikonductor dan LED yang ada yang didasarkan pada heterostruktur.

Aplikasi

Studi ini memungkinkan injeksi kepadatan elektron tinggi ke dalam volume besar, meningkatkan efisiensi injeksi elektron, yang dapat secara drastis meningkatkan kecerahan sumber satu-foton dan dioda pemancar cahaya yang didasarkan pada berlian.

Menurut peneliti, superinjeksi dapat terjadi dalam berbagai semikonductor, mulai dari materi 2D hingga semikonductor bandgap lebar konvensional.

Baca: Teknologi Laser yang Ada Cukup Kuat untuk Menarik Alien 20.000 Tahun Cahaya Jauh

Ini dapat memungkinkan pembuatan LED ungu, ultraviolet, putih, dan biru yang sangat efisien, bersama dengan sumber cahaya untuk Li-Fi (komunikasi nirkabel optik), instrumen optik untuk diagnostik penyakit dini, pengemudi untuk internet kuantum, dan jenis laser baru.