Hoe kan de lichtopbrengst van germanium worden verbeterd?

Hoewel germanium een directe bandkloof van 0,8 eV heeft, is het in wezen een materiaal met een indirecte bandkloof vanwege de aanwezigheid van de L-geleidende band.

Zoals getoond in Fig. (a) maakt dit energieverschil germanium een inefficiënte lichtuitzender omdat de meeste extern geïnjecteerde elektronen de L-geleidingsbanddalen met lagere energie zullen bezetten. Wanneer de samenstellingssnelheid van de uitgezonden fotonen laag is, kunnen de elektronen in de L-geleidende dalen alleen worden samengesteld met gaten met behulp van fononen, maar door de indirecte L-dalen in de geleidingsband te vullen, kunnen we directe samenstelling op het r-punt waarnemen.

Aan de andere kant kunnen elektronen die zich in de r-geleidende valleien bevinden, met gaten worden gecomplexeerd met een hogere complexeringssnelheid. Dus door germanium een direct of pseudo-direct bandgapmateriaal, verhogen we de complexeringsnelheid van de ladingdragers vanuit de r-combinatievallei en maken we Ge een energiezuinige lichtemittator.

Germanium

Directe optische gapping in germanium is een zeer snel proces met een radiatieve compounding rate die vijf ordes van grootte hoger is dan indirecte gapping. Dit betekent dat directe gap-emissie in Ge net zo efficiënt is als in directe gap-halfgeleiders. De luminescentie van Ge kan aanzienlijk worden verbeterd door gebruik te maken van de directe bandgap-sprong van Ge. 

Normaal gesproken kan Ge worden omgezet van een in wezen indirecte bandgap-materiaal naar een direct bandgap-materiaal door trekspanning, r-type doping of Ge-legering met tin te introduceren, zoals weergegeven in figuur (b) hierboven. Beide methoden verminderen de bandgap in de breuk, d.w.z. de bandgap bij de directe dalen wordt met een hogere snelheid verminderd dan de indirecte L-dalen, zodat de bandgap-structuur van Ge wordt gewijzigd, wat uiteindelijk Ge transformeert in een direct bandgap-materiaal dat in staat is om licht te absorberen of uit te zenden.

De bovenstaande afbeelding toont het germanium band gap diagram: (a) energieband engineering van bulk Ge en (b) Ge met behulp van trekspanning en n-type doping. Trekspanning vermindert het energieverschil tussen de T- en L-dalen, terwijl n-type doping het resterende energieverschil compenseert. De spanning induceert ook een splitsing van de lichte en zware holtebanden, waarbij een grotere lichtsterkte wordt verwacht naarmate de trekspanning toeneemt.

Theoretisch is aangetoond dat germanium kan worden ontworpen door trekspanning en n-type doping om betere directe bandgap foto-emissie te bereiken bij kamertemperatuur. Het ontwerpen van de verkeerde bandgap door trekspanning opent de mogelijkheid om nieuwe opto-elektronische apparaten te ontwikkelen die volledig compatibel zijn met siliciumtechnologie, zoals lichtgevende diode-LED's, lasers en optische modulatoren. Ge is gebruikt in een breed scala aan apparaten, variërend van energie-afstembare lichtoogsters (bijv. fotodetectoren) tot zeer efficiënte opto-elektronische apparaten.

Opmerkingen

Gerelateerde blog

Welkom op onze blog die gewijd is aan de aantrekkelijke wereld van germanium en andere foto-elektrische materialen. 

Vraag onze offerte aan

Laat ons weten wat uw verzoek is, dan nemen wij binnen een uur contact met u op.