Efeito considerado impossível cria LEDs e lasers super  eficientes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/07/2019

Ilustração das estruturas semicondutoras únicas (homoestruturas) e mistas (heteroestruturas).
[Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Superinjeção

O fenômeno conhecido como superinjeção está na base do funcionamento dos lasers e LEDs. Ele rendeu aos seus descobridores, Zhores Alferov e Herbert Kroemer, o prêmio Nobel de Física de 2000.

A superinjeção refere-se ao aumento da concentração de elétrons (cargas negativas) e lacunas (cargas positivas) em uma camada intermediária de material semicondutor, que alcançam valores que são várias ordens de grandeza mais elevadas do que aquelas nas camadas externas, permitindo a emissão de luz de um laser ou de um LED.

Como há pelo menos três camadas envolvidas, naquilo que se conhece como heteroestrutura, até agora se acreditava ser impossível produzir a superinjeção em uma camada única de semicondutor, ou seja, em uma monoestrutura.

Igor Khramtsov e Dmitry Fedyanin, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, na Rússia, acabam de descobrir que é sim possível produzir a superinjeção em semicondutores "puros".

Isso abre perspectivas inteiramente novas para a criação de LEDs azuis, violetas, ultravioletas e brancos com eficiência muito superior aos atuais, bem como fontes de luz para comunicação sem fio óptica (Li-Fi), novos tipos de lasers, transmissores para a internet quântica e dispositivos ópticos para diagnóstico de doenças.

Superinjeção em hetero e monoestruturas

O problema em gerar luz dentro de semicondutores é que os componentes requerem que elétrons e lacunas - os portadores de carga - se recombinem. Quanto maior a concentração de elétrons e lacunas, maior a probabilidade de eles se recombinarem, tornando a fonte de luz mais brilhante. Só que ninguém havia conseguido fabricar um semicondutor que fornecesse uma concentração suficientemente alta de elétrons e de lacunas simultaneamente.

Alferov e Kroemer, os ganhadores do Nobel, resolveram o problema nos anos 1960 usando as heteroestruturas, ou estruturas "sanduíche", usadas até hoje. Quando se coloca um semicondutor entre dois semicondutores com bandas de energia (bandgaps) maiores e aplica-se uma tensão de polarização direta, a concentração de elétrons e lacunas na camada intermediária alcança valores muito altos. Mas não é qualquer semicondutor que pode formar uma heteroestrutura adequada porque os materiais precisam ter o mesmo período de rede cristalina, senão o número de defeitos na interface entre os dois materiais será muito alto e nenhuma luz será gerada.

Khramtsov e Fedyanin descobriram agora não apenas como fazer a superinjeção usando um único semicondutor, mas também que a maioria dos semicondutores conhecidos pode ser usada.

"No caso do silício e do germânio, a superinjeção requer temperaturas criogênicas, e isso põe em dúvida a utilidade [prática] do efeito. Mas no diamante ou no nitreto de gálio, uma forte superinjeção pode ocorrer mesmo à temperatura ambiente," disse Fedyanin.

Componentes eletrônicos de diamante funcionam em condições extremas, como temperaturas acima dos 400º C.
[Imagem: Jiangwei Liu et al. - 10.1109/LED.2017.2702744]

Lasers e LEDs de diamante

Embora largamente desconhecida do público, a eletrônica de diamante é um campo efervescente, com aplicações aeroespaciais e, mais recentemente, nos motores de carros.

Isto significa que o efeito pode ser usado para criar componentes de mercado fabricados em escala industrial, uma vez que a superinjeção pode produzir concentrações de elétrons em um diodo de diamante que são 10.000 vezes maiores do que aquelas que se acreditava serem possíveis.

Como resultado, o diamante pode servir como base para LEDs ultravioleta várias vezes mais brilhantes do que os cálculos teóricos mais otimistas previam.

"Surpreendentemente, o efeito da superinjeção no diamante é de 50 a 100 vezes mais forte do que o usado na maioria dos LEDs e lasers de semicondutores no mercado baseados em heteroestruturas," disse Khramtsov.

Bibliografia:

Artigo: Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes
Autores: Igor A. Khramtsov, Dmitry Yu Fedyanin
Revista: Semiconductor Science and Technology
Vol.: 34, Number 3
DOI: 10.1088/1361-6641/ab0569