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ゲルマニウムの発光効率を高めるには？
ゲルマニウムは 0.8 eV の直接バンドギャップを持ちますが、L 伝導バンドが存在するため、本質的には間接バンドギャップ材料です。
図 (a) に示すように、このエネルギー差により、外部から注入された電子のほとんどがより低いエネルギーの L 伝導帯の谷を占有するため、ゲルマニウムは非効率的な発光体になります。放出された光子の合成率が低い場合、L 伝導帯の谷にある電子はフォノンの助けを借りてのみ正孔と合成できますが、伝導帯の間接 L 谷を埋めることで、r ポイントで直接合成を観察できます。
一方、r伝導谷に位置する電子は、より高い錯形成率で正孔と錯体を形成する。 ゲルマニウム 直接または擬似直接バンドギャップ材料を使用することで、r結合谷からのキャリア複合化率を高め、Geをエネルギー効率の高い発光体にすることができます。
ゲルマニウムの直接光学ギャップ形成は、間接ギャップ形成よりも 5 桁も高い放射複合率を伴う非常に高速なプロセスです。これは、Ge の直接ギャップ発光が直接ギャップ半導体と同程度の効率であることを意味します。Ge の発光は、Ge の直接バンドギャップ ジャンプを利用することで大幅に強化できます。
通常、Ge は、上図 (b) に示すように、引張歪み、r 型ドーピング、または Ge とスズの合金を導入することで、本質的に間接バンドギャップ材料から直接バンドギャップ材料に変換できます。どちらの方法でも、欠陥のバンドギャップが減少します。つまり、直接谷のバンドギャップは間接 L 谷よりも高い割合で減少するため、Ge のバンドギャップ構造が変化し、最終的に Ge は光を吸収または放出できる直接バンドギャップ材料に変換されます。
上の図は、ゲルマニウムのバンドギャップ図を示しています。(a) バルク Ge のエネルギーバンドエンジニアリング、(b) 引張歪みと n 型ドーピングを使用した Ge。引張歪みは T 谷と L 谷の間のエネルギー差を減らし、n 型ドーピングは残りのエネルギー差を補います。また、歪みは軽いキャビティバンドと重いキャビティバンドの分裂を引き起こし、引張応力が増加するにつれて、より高い輝度が期待されます。
理論的には、ゲルマニウムは引張応力と n 型ドーピングによって加工され、室温でより優れた直接バンドギャップ光電子放出を実現できることが示されています。引張応力によって誤ったバンドギャップを加工すると、発光ダイオード LED、レーザー、光変調器など、シリコン技術と完全に互換性のある新しい光電子デバイスを開発できる可能性が開かれます。Ge は、エネルギー調整可能な光ハーベスター (光検出器など) から高効率光電子デバイスまで、さまざまなデバイスで使用されています。
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