Научная группа преодолела проблемы с материалами, открыв новый путь для высокоэффективных светодиодов (LED)

Кремний уже давно доминирует в гонке материалов для полупроводников, но его «врожденные недостатки» в области оптоэлектроники также ограничивают потенциал роста. Недавно исследователи разработали новый полупроводниковый материал, состоящий из германия и олова, который демонстрирует превосходную эффективность поглощения и излучения света по сравнению с кремниевыми полупроводниками и может стать следующим поколением высокопроизводительных полупроводников.

Кремний является фундаментом современной электронной Отрасли; чипы большинства электронных устройств, таких как компьютеры и мобильные телефоны, в основном изготавливаются из кремния, и их пока трудно заменить другими материалами.

Хотя кремний обладает преимуществами, такими как технологическая зрелость и низкая стоимость, его характеристика "непрямой запрещенной зоны" приводит к световой отдаче, значительно ниже, чем у материалов с прямой запрещенной зоной (таких как арсенид галлия GaAs). Следовательно, он не может напрямую служить эффективным источником света для лазеров или светодиодов и испытывает трудности в достижении значительных результатов в области оптоэлектроники.

Для реализации оптической связи на чипах (более быстрой и энергоэффективной по сравнению с электронной передачей) инженеры обычно должны гетерогенно интегрировать дорогие материалы III-V группы (такие как арсенид галлия), что является сложным и дорогостоящим процессом. Поэтому ученые уже давно стремятся разработать альтернативы с использованием материалов IV группы, среди которых сплавы германий-олово (GeSn) считаются «святым граалем» в области полупроводников.

В отличие от материалов группы III-V, германий и олово относятся к элементам группы IV. Легирование кристаллической решётки германия определённой долей олова может изменить зонную структуру, превратив его в материал с «прямой запрещённой зоной», что обеспечивает более высокую подвижность носителей заряда; при этом элементы группы IV обладают высокой совместимостью с существующими процессами производства кремниевых интегральных схем, благодаря чему они привлекают значительное внимание в области оптоэлектроники.

Исторически основной проблемой германий-оловянных сплавов было то, что эти два элемента трудно вступают в химическую реакцию в обычных условиях. Лишь недавно команда из Эдинбургского университета успешно制备 стабильный германий-оловянный сплав, нагрев смесь германия и олова до 1200 °C и приложив давление до 10 ГПа, что позволило ему оставаться стабильным при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Как для электронных устройств нового поколения, так и для центров обработки данных с постоянно растущими потребностями в энергии будущее возлагает надежды на оптическую передачу для повышения энергоэффективности; новые материалы, как ожидается, обеспечат более быструю работу устройств и снижение энергопотребления.

Соответствующие статьи были опубликованы в журнале «Journal of the American Chemical Society» (Американское химическое общество, ACS).

Источник: TechNews