Come migliorare l'efficienza luminosa del germanio?

Sebbene il germanio abbia un gap di banda diretto di 0,8 eV, è essenzialmente un materiale con gap di banda indiretto a causa della presenza della banda L-conduttiva.

Come mostrato in Fig. (a), questa differenza di energia rende il germanio un emettitore di luce inefficiente perché la maggior parte degli elettroni iniettati esternamente occuperà le valli della banda di conduzione L a energia inferiore. Quando il tasso di compounding dei fotoni emessi è basso, gli elettroni situati nelle valli L-conduttive possono essere compoundati solo con buchi con l'aiuto di fononi, ma riempiendo le valli L-indirette nella banda di conduzione, possiamo osservare un compounding diretto nel punto r-.

D'altro canto, gli elettroni situati nelle valli r-conduttrici possono essere complessati con buchi a un tasso di complessazione più elevato. Quindi, realizzando germanio un materiale a bandgap diretto o pseudodiretto, aumentiamo la velocità di complessazione dei portatori dalla valle di combinazione r e rendiamo il Ge un emettitore di luce efficiente dal punto di vista energetico.

Germanio

Il gapping ottico diretto nel germanio è un processo molto rapido con una velocità di compounding radiativo cinque ordini di grandezza superiore al gapping indiretto. Ciò significa che l'emissione di gap diretto nel Ge è efficiente quanto nei semiconduttori a gap diretto. La luminescenza del Ge può essere notevolmente migliorata utilizzando il salto di bandgap diretto del Ge. 

In genere, Ge può essere convertito da un materiale a bandgap essenzialmente indiretto a un materiale a bandgap diretto introducendo una deformazione di trazione, un drogaggio di tipo r o una lega Ge con stagno, come mostrato nella figura (b) sopra. Entrambi i metodi riducono il bandgap nella faglia, ovvero il bandgap nelle valli dirette viene ridotto a una velocità maggiore rispetto alle valli L indirette, in modo che la struttura del bandgap di Ge venga alterata, trasformando infine Ge in un materiale a bandgap diretto in grado di assorbire o emettere luce.

La figura sopra mostra il diagramma del gap di banda del germanio: (a) ingegneria delle bande energetiche di Ge in massa e (b) Ge utilizzando deformazione di trazione e drogaggio di tipo n. La deformazione di trazione riduce la differenza di energia tra le valli T e L, mentre il drogaggio di tipo n compensa la differenza di energia rimanente. La deformazione induce anche una divisione delle bande di cavità leggere e pesanti, con una maggiore luminosità prevista all'aumentare della sollecitazione di trazione.

È stato dimostrato teoricamente che il germanio può essere ingegnerizzato tramite stress di trazione e drogaggio di tipo n per ottenere una migliore fotoemissione diretta del bandgap a temperatura ambiente. L'ingegnerizzazione del bandgap sbagliato tramite stress di trazione apre la possibilità di sviluppare nuovi dispositivi optoelettronici completamente compatibili con la tecnologia del silicio, come LED a emissione di luce, laser e modulatori ottici. Il Ge è stato utilizzato in un'ampia gamma di dispositivi che vanno dai raccoglitori di luce sintonizzabili in base all'energia (ad esempio, fotodetector) ai dispositivi optoelettronici altamente efficienti.

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