Ako zvýšiť svetelnú účinnosť germánia?

Aj keď germánium má priamu zakázanú vzdialenosť 0,8 eV, je to v podstate nepriamy materiál so zakázaným pásmom v dôsledku prítomnosti L-vodivého pásu.

Ako je znázornené na obr. (a), tento energetický rozdiel robí z germánia neefektívny svetelný žiarič, pretože väčšina externe vstreknutých elektrónov bude zaberať dolné oblasti L vodivého pásma s nižšou energiou. Keď je rýchlosť zloženia emitovaných fotónov nízka, elektróny nachádzajúce sa v L-vodivých údoliach môžu byť zložené iba s otvormi pomocou fonónov, ale vyplnením nepriamych L-dolín vo vodivom pásme môžeme pozorovať priame zlučovanie. v bode r.

Na druhej strane elektróny nachádzajúce sa v r-vodivých údoliach môžu byť komplexované s dierami pri vyššej rýchlosti komplexácie. Teda zhotovením germánium priamy alebo pseudo-priamy bandgap materiál, zvyšujeme rýchlosť komplexácie nosiča z r-kombinačného údolia a robíme Ge energeticky účinným žiaričom svetla.

Priame optické medzerovanie v germániu je veľmi rýchly proces s rýchlosťou žiarenia o päť rádov vyššou ako nepriame medzery. To znamená, že priama medzerová emisia v Ge je rovnako účinná ako v polovodičoch s priamou medzerou. Luminiscencia Ge môže byť výrazne zvýšená využitím priameho bandgap skoku Ge.

Typicky môže byť Ge premenený z materiálu v podstate nepriameho bandgap na materiál s priamym bandgap zavedením ťahového napätia, dopingu typu r alebo zliatiny Ge s cínom, ako je znázornené na obrázku (b) vyššie. Obe metódy redukujú bandgap v poruche, tj bandgap v priamych údoliach je redukovaný vyššou rýchlosťou ako nepriame L-údolia, takže štruktúra bandgapu Ge sa mení, v konečnom dôsledku transformuje Ge na materiál s priamym bandgapom schopným absorbuje alebo vyžaruje svetlo.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje germániový diagram medzery v pásme: (a) inžinierstvo energetických pásov objemového Ge a (b) Ge pomocou ťahového napätia a dopovania typu n. Ťahové napätie znižuje energetický rozdiel medzi T a L dolinami, zatiaľ čo doping typu n kompenzuje zostávajúci energetický rozdiel. Napätie tiež vyvoláva štiepenie pásov ľahkej a ťažkej dutiny, pričom so zvyšujúcim sa ťahovým napätím sa očakáva väčšia svietivosť.

Teoreticky sa ukázalo, že germánium možno skonštruovať ťahovým napätím a dopingom typu n, aby sa dosiahla lepšia priama fotoemisia v pásme pri izbovej teplote. Vytvorenie nesprávnej medzery v ťahu otvára možnosť vývoja nových optoelektronických zariadení, ktoré sú plne kompatibilné s kremíkovou technológiou, ako sú LED diódy vyžarujúce svetlo, lasery a optické modulátory. Ge sa používa v širokej škále zariadení, od energeticky laditeľných svetelných kombajnov (napr. fotodetektory) až po vysoko účinné optoelektronické zariadenia.