Como aumentar a eficiência luminosa do germânio?

Embora o germânio tenha uma banda proibida direta de 0,8 eV, ele é essencialmente um material com banda proibida indireta devido à presença da banda condutora L.

Conforme mostrado na Fig. (a), essa diferença de energia torna o germânio um emissor de luz ineficiente porque a maioria dos elétrons injetados externamente ocupará os vales da banda de condução L de menor energia. Quando a taxa de composição dos fótons emitidos é baixa, os elétrons localizados nos vales condutores L só podem ser compostos com buracos com a ajuda de fônons, mas preenchendo os vales L indiretos na banda de condução, podemos observar a composição direta no ponto r.

Por outro lado, os elétrons localizados nos vales r-condutores podem ser complexados com buracos em uma taxa de complexação mais alta. Assim, ao fazer germânio um material de banda proibida direta ou pseudodireta, aumentamos a taxa de complexação do portador do vale de combinação r e tornamos o Ge um emissor de luz com eficiência energética.

O gapping óptico direto em germânio é um processo muito rápido com uma taxa de composição radiativa cinco ordens de magnitude maior do que o gapping indireto. Isso significa que a emissão de gap direto em Ge é tão eficiente quanto em semicondutores de gap direto. A luminescência de Ge pode ser significativamente melhorada utilizando o salto de bandgap direto de Ge.

Normalmente, o Ge pode ser convertido de um material essencialmente de bandgap indireto para um material de bandgap direto pela introdução de deformação de tração, dopagem tipo r ou liga de Ge com estanho, conforme mostrado na figura (b) acima. Ambos os métodos reduzem o bandgap na falha, ou seja, o bandgap nos vales diretos é reduzido a uma taxa maior do que nos vales L indiretos, de modo que a estrutura do bandgap do Ge é alterada, transformando, em última análise, o Ge em um material de bandgap direto capaz de absorver ou emitir luz.

A figura acima mostra o diagrama de gap de banda de germânio: (a) engenharia de banda de energia de Ge em massa e (b) Ge usando deformação de tração e dopagem do tipo n. A deformação de tração reduz a diferença de energia entre os vales T e L, enquanto a dopagem do tipo n compensa a diferença de energia restante. A deformação também induz uma divisão das bandas de cavidade leve e pesada, com maior luminosidade esperada conforme a tensão de tração aumenta.

Foi demonstrado teoricamente que o germânio pode ser projetado por estresse de tração e dopagem do tipo n para atingir melhor fotoemissão de banda proibida direta em temperatura ambiente. A engenharia da banda proibida errada por estresse de tração abre a possibilidade de desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos que são totalmente compatíveis com a tecnologia de silício, como LEDs de diodo emissor de luz, lasers e moduladores ópticos. O Ge tem sido usado em uma ampla variedade de dispositivos, desde coletores de luz ajustáveis em energia (por exemplo, fotodetectores) até dispositivos optoeletrônicos altamente eficientes.