¿Cómo mejorar la eficiencia luminosa del germanio?

Aunque el germanio tiene una banda prohibida directa de 0,8 eV, es esencialmente un material con banda prohibida indirecta debido a la presencia de la banda conductora L.

Como se muestra en la Fig. (a), esta diferencia de energía hace que el germanio sea un emisor de luz ineficiente porque la mayoría de los electrones inyectados externamente ocuparán los valles de la banda de conducción L de menor energía. Cuando la tasa de composición de los fotones emitidos es baja, los electrones ubicados en los valles conductores L solo pueden combinarse con huecos con la ayuda de fonones, pero al llenar los valles L indirectos en la banda de conducción, podemos observar una composición directa en el punto r.

Por otra parte, los electrones ubicados en los valles conductores r pueden formar complejos con huecos a una tasa de formación de complejos mayor. Por lo tanto, al hacer germanio un material de banda prohibida directa o pseudo-directa, aumentamos la tasa de complexación del portador a partir del valle de combinación r y convertimos a Ge en un emisor de luz energéticamente eficiente.

La separación óptica directa en el germanio es un proceso muy rápido con una tasa de composición radiativa cinco órdenes de magnitud mayor que la separación indirecta. Esto significa que la emisión directa en el Ge es tan eficiente como en los semiconductores de separación directa. La luminiscencia del Ge se puede mejorar significativamente utilizando el salto de banda prohibida directo del Ge.

Por lo general, el Ge se puede convertir de un material de banda prohibida esencialmente indirecta a un material de banda prohibida directa introduciendo una deformación por tracción, dopaje de tipo r o aleación de Ge con estaño, como se muestra en la figura (b) anterior. Ambos métodos reducen la banda prohibida en la falla, es decir, la banda prohibida en los valles directos se reduce a una tasa mayor que en los valles L indirectos, de modo que la estructura de banda prohibida del Ge se altera, transformando finalmente al Ge en un material de banda prohibida directa capaz de absorber o emitir luz.

La figura anterior muestra el diagrama de brecha de banda de germanio: (a) ingeniería de banda de energía de Ge en masa y (b) Ge utilizando tensión de tracción y dopaje de tipo n. La tensión de tracción reduce la diferencia de energía entre los valles T y L, mientras que el dopaje de tipo n compensa la diferencia de energía restante. La tensión también induce una división de las bandas de cavidad ligera y pesada, con una mayor luminosidad esperada a medida que aumenta la tensión de tracción.

Se ha demostrado teóricamente que el germanio se puede modificar mediante tensión de tracción y dopaje de tipo n para lograr una mejor fotoemisión directa de banda prohibida a temperatura ambiente. La modificación de la banda prohibida incorrecta mediante tensión de tracción abre la posibilidad de desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos que sean totalmente compatibles con la tecnología de silicio, como los diodos emisores de luz LED, los láseres y los moduladores ópticos. El GE se ha utilizado en una amplia variedad de dispositivos que van desde recolectores de luz con ajuste de energía (por ejemplo, fotodetectores) hasta dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia.