Wie kann die Lichtausbeute von Germanium verbessert werden?

Obwohl Germanium eine direkte Bandlücke von 0,8 eV hat, handelt es sich aufgrund des Vorhandenseins des L-Leitungsbandes im Wesentlichen um ein Material mit indirekter Bandlücke.

Wie in Abb. (a) gezeigt, macht dieser Energieunterschied Germanium zu einem ineffizienten Lichtemitter, da die meisten der von außen zugeführten Elektronen die Täler des L-Leitungsbandes mit niedrigerer Energie besetzen. Wenn die Verbindungsrate der emittierten Photonen niedrig ist, können die Elektronen in den Tälern des L-Leitungsbandes nur mithilfe von Phononen mit Löchern verbunden werden. Durch das Füllen der indirekten L-Täler im Leitungsband können wir jedoch eine direkte Verbindung am r-Punkt beobachten.

Andererseits können Elektronen in den r-leitenden Tälern mit Löchern bei einer höheren Komplexierungsrate komplexiert werden. Indem man also Germanium einem Material mit direkter oder pseudo-direkter Bandlücke erhöhen wir die Trägerkomplexierungsrate aus dem r-Kombinationstal und machen Ge zu einem energieeffizienten Lichtemitter.

Germanium

Die direkte optische Bandlücke in Germanium ist ein sehr schneller Prozess mit einer Strahlungszusammensetzungsrate, die fünf Größenordnungen höher ist als die indirekte Bandlücke. Dies bedeutet, dass die direkte Bandlückenemission in Ge genauso effizient ist wie in Halbleitern mit direkter Bandlücke. Die Lumineszenz von Ge kann durch Ausnutzung des direkten Bandlückensprungs von Ge deutlich verbessert werden. 

Ge kann normalerweise von einem Material mit im Wesentlichen indirekter Bandlücke in ein Material mit direkter Bandlücke umgewandelt werden, indem man Zugspannung, r-Typ-Dotierung oder eine Ge-Legierung mit Zinn einführt, wie in Abbildung (b) oben gezeigt. Beide Methoden verringern die Bandlücke im Fehler, d. h. die Bandlücke in den direkten Tälern wird schneller verringert als in den indirekten L-Tälern, sodass die Bandlückenstruktur von Ge verändert wird und Ge letztendlich in ein Material mit direkter Bandlücke umgewandelt wird, das Licht absorbieren oder emittieren kann.

Die obige Abbildung zeigt das Bandlückendiagramm des Germaniums: (a) Energiebandtechnik von massivem Ge und (b) Ge unter Verwendung von Zugspannung und n-Typ-Dotierung. Zugspannung verringert den Energieunterschied zwischen den T- und L-Tälern, während n-Typ-Dotierung den verbleibenden Energieunterschied ausgleicht. Die Spannung bewirkt auch eine Aufspaltung der leichten und schweren Hohlraumbänder, wobei mit zunehmender Zugspannung eine größere Leuchtkraft erwartet wird.

Theoretisch konnte gezeigt werden, dass Germanium durch Zugspannung und n-Typ-Dotierung so manipuliert werden kann, dass bei Raumtemperatur eine bessere direkte Bandlücken-Photoemission erreicht wird. Die Manipulation der falschen Bandlücke durch Zugspannung eröffnet die Möglichkeit, neuartige optoelektronische Geräte zu entwickeln, die vollständig mit der Siliziumtechnologie kompatibel sind, wie etwa Leuchtdioden (LEDs), Laser und optische Modulatoren. Ge wird in einer Vielzahl von Geräten verwendet, von energieabstimmbaren Lichtsammlern (z. B. Photodetektoren) bis hin zu hocheffizienten optoelektronischen Geräten.

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