“Wi-Fi”より100倍速い通信技術”Li-Fi”に向けた新発見 ダイヤモンドのスーパーインジェクションを応用

・研究者は発光デバイスを設計するというまったく新しい視点を示しています。

・ダイヤモンドは、既存のLEDやレーザーよりも100倍明るい光デバイスを作るために使用することができます。

・それはLi-Fi用の光源および量子インターネット用の送信機の製造を可能にします。

多くの半導体デバイスは、バイアス電圧下で高密度の非平衡キャリアを生成することによって作動します。このようなキャリア（電子および正孔）は半導体の特性を再結合または変化させることができ、この現象は光変調に利用することができます。

光の強度は、電子と正孔の濃度とそれらが再結合する速度に比例します。レーザーやLED（高速インターネットやレーザープリンターで使用される）などの最新の装置はこのプロセスに依存しています。

しかしながら、十分な濃度の電子および正孔を提供することができる半導体は存在しない。1960年代に、科学者たちは解決策 – 2つ以上の半導体を含むヘテロ構造を考え出しました。

そのようなヘテロ構造では、半導体はより大きなバンドギャップを有する２つの半導体の間に挟まれている。このように、中間層の電子および正孔の濃度は、順方向バイアス電圧を印加することによって十分に高いレベルまで増加させることができます。この効果はスーパーインジェクションと呼ばれ、これが現代のLEDとレーザーの製造方法です。

実行可能なヘテロ構造を作るためには、結晶格子が同じ周期の半導体を選択することが重要である。これにより、半導体間の界面における濃度低下が少なくなり、光源が明るくなります。
これらのヘテロ構造は、ホモ構造（単一の半導体からなる）と比較して製造するのが難しい。何年もの間、科学者たちは光源を作るためにホモ構造を使うことを試みてきました。しかし彼らはまだ成功していません。

ホモ構造のスーパーインジェクション

最近、モスクワ物理科学技術研究所の研究者らは、発光デバイスを設計するためのまったく新しい視点を記述した論文を発表しました。

この論文は、スーパーインジェクションがたった１つの半導体で達成できることを示しています。そして最も良いことは、それがよく知られている、すでに入手可能な半導体を使用することによって行われることができるということです。

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

現在、シリコンおよびゲルマニウム半導体が極低温でのスーパーインジェクションをサポートする明るい光源を作るために使用されています。しかしながら、窒化ガリウムおよびダイヤモンドの場合、室温で強いスーパーインジェクションが起こり得る。それらの効果は、マスマーケット機器を製造するために利用することができます。

ホモ及びヘテロ構造のイラスト| Credit: MIPT

ダイヤモンドのスーパーインジェクションは、最終的に可能であると想定されているものよりも10,000倍高い濃度を生み出すことができます。したがってダイヤモンドは、最も楽観的な以前の計算より数千倍明るい紫外線発光ダイオードの基盤として使用することができる。さらに、その効果は、既存の半導体レーザーやヘテロ構造をベースにしたLEDよりも100倍強力です。

アプリケーション

この研究は、高密度の電子を大量に注入することを可能にし、電子注入の効率を高め、それがダイヤモンドに基づく単一光子源および発光ダイオードの輝度を劇的に高めることができます。

研究者らによると、2次元材料から従来のワイドバンドギャップ半導体まで、さまざまな半導体でスーパーインジェクションが発生する可能性があります。

これは、Li-Fi（光無線通信）用の光源、病気の初期診断用の光学機器、量子インターネット用の送信機、および新しい種類のレーザーに加えて高効率な紫、紫外、白色、および青色LEDの製造を可能にします。