Comment améliorer l’efficacité lumineuse du germanium ?

Bien que le germanium ait une bande interdite directe de 0,8 eV, il s'agit essentiellement d'un matériau à bande interdite indirecte en raison de la présence de la bande conductrice L.

Comme le montre la figure (a), cette différence d'énergie fait du germanium un émetteur de lumière inefficace car la plupart des électrons injectés de l'extérieur occuperont les vallées de la bande de conduction L à plus faible énergie. Lorsque le taux de composition des photons émis est faible, les électrons situés dans les vallées conductrices L ne peuvent être composés qu'avec des trous à l'aide de phonons, mais en remplissant les vallées L indirectes dans la bande de conduction, nous pouvons observer une composition directe au point r.

D'autre part, les électrons situés dans les vallées conductrices r peuvent être complexés avec des trous à un taux de complexation plus élevé. Ainsi, en faisant germanium un matériau à bande interdite directe ou pseudo-directe, nous augmentons le taux de complexation des porteurs à partir de la vallée de combinaison r et faisons du Ge un émetteur de lumière économe en énergie.

Germanium

L'émission optique directe dans le germanium est un processus très rapide avec un taux de composition radiative cinq ordres de grandeur plus élevé que l'émission indirecte. Cela signifie que l'émission directe dans le Ge est aussi efficace que dans les semi-conducteurs à bande interdite directe. La luminescence du Ge peut être considérablement améliorée en utilisant le saut de bande interdite directe du Ge. 

En règle générale, le Ge peut être converti d'un matériau à bande interdite essentiellement indirecte en un matériau à bande interdite directe en introduisant une contrainte de traction, un dopage de type r ou un alliage Ge avec de l'étain, comme illustré dans la figure (b) ci-dessus. Les deux méthodes réduisent la bande interdite dans la faille, c'est-à-dire que la bande interdite au niveau des vallées directes est réduite à un taux plus élevé que celui des vallées L indirectes, de sorte que la structure de la bande interdite du Ge est modifiée, transformant finalement le Ge en un matériau à bande interdite directe capable d'absorber ou d'émettre de la lumière.

La figure ci-dessus montre le diagramme de la bande interdite du germanium : (a) ingénierie de la bande d'énergie du Ge massif et (b) Ge utilisant la contrainte de traction et le dopage de type n. La contrainte de traction réduit la différence d'énergie entre les vallées T et L, tandis que le dopage de type n compense la différence d'énergie restante. La contrainte induit également une séparation des bandes de cavité légère et lourde, avec une luminosité plus importante attendue à mesure que la contrainte de traction augmente.

Il a été démontré théoriquement que le germanium peut être modifié par contrainte de traction et dopage de type n pour obtenir une meilleure photoémission directe à bande interdite à température ambiante. La modification de la bande interdite par contrainte de traction ouvre la possibilité de développer de nouveaux dispositifs optoélectroniques entièrement compatibles avec la technologie du silicium, tels que les diodes électroluminescentes LED, les lasers et les modulateurs optiques. Le Ge a été utilisé dans une grande variété de dispositifs allant des capteurs de lumière à énergie réglable (par exemple, les photodétecteurs) aux dispositifs optoélectroniques à haut rendement.

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