Jiří Oswald Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.
I. Úvod Polovodiče Zákládní pojmy Kvantově-rozměrový jev II. Luminiscence Si nanokrystalů III. Luminiscence polovodičových nanostruktur AIIIBV IV. Aplikace
Pásová struktura uhlíku H. Frank; Fyzika a technika polovodičů, SNTL, Praha 1990.
1. Zářivá rekombinace volných elektronděrových párů, e-h (rekombinace pás-pás). 2. Zářivá rekombinace volný elektron (díra) – neutrální akceptor (neutrální donor), e-A0 (hD0). 3. Zářivá rekombinace donor-akceptorových párů D0-A0. 4. Zářivá rekombinace excitonů X.
elektron-děrový pár s Coulombickou interakcí
Stimulovaná emise v polovodičích [Dumke, 1962, prof. Pelant] a) přímý zakázaný pás (GaAs)
-α αabs= αem
GaAs αem>αFCA (n=p=1018cm3)
1500 cm-1 >10 cm-1
b) nepřímý zakázaný pás (Si)
αem
Si αem<αFCA (!!) (n=p=1018cm3)
~0,32 cm-1 < 6 cm-1
Vrstva polovodiče s menším Eg pásu sevřená mezi dvěma vrstvami polovodiče s větší Eg. Tloušťka prostřední vrstvy je srovnatelná s de Broglieho vlnovou délkou elektronu. Ve směru kolmém na rovinu rozhraní (směr z) dochází v tenké vrstvě ke kvantování energie
Kvantové jámy (2 D) Kvantové dráty (1 D) Kvantové tečky a Nanokrystaly (0 D)
Technologie přípravy- MBE a MOVPE
Pravoúhlá kvantová jáma En=(ħ2/2m) (nπ/LZ)2
δn=0
Optické efekty v těchto systémech jsou daleko silnější než v objemových polovodičích 1. Efektivní záchyt nerovnovážných nositelů 2. Větší překryv vlnových funkcí elektronů a děr 3. Větší vazebné energie excitonů 4. Potlačený vliv příměsí
En=E0(LZ) n
Absorpce
En=E0(LZ) n
InAs QD na GaAs Díky pnutí, InAs má větší mřížkovou konstantu MOVPE, růstový mód StranskiKrastanov
1 QD vrstva
4 QD vrstvy
a
b
AFM a TEM
InAs QD
PL Intensity [arb. units]
QDG
In.23GaAs.77As T=7 K λex=670 nm
2.5 2.0
WL
1.5 QD1EX 1.0 QD2EX
GaAs
0.5 0.0 0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
Emission Energy [eV]
1.5
1.6
Normalized PL Intensity
1.0
23% In 13% In
0.8
06% In
0.6
0.4
0.2
0.0 1.15
1.20
1.25
1.30
1.35
1.40
1.45
1.50
1.55
Emission Wavelength [ m]
Fig 1 Comparison of PL spectra of samples with different concentration of In in strain reduced InxGa1-xAs; RT, λexc = 0.808 µm.
PL Intensity [arb. units]
50000
InAs QD In0.35Ga0.65As capping RT
40000
QDgst
QD1 ex st
30000
20000
10000
0
1100
1200
1300
1400
1500
Wavelength [nm]
1600
1700
mg. field
sample I MPL Intensity [a.u.]
Fock-Darwin model (single twodimensional particle confined in a parabolic well). 2 2 1 2 2 2 p 1 H= + m*(ω0 + ωc ) r - 1 ωc lz 2m* 2 4 2
p d
s
30
25
20
B [T]
Mg. Field [T]
30 20
15
10
10
5
0 0.95
1.00
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
0 0.05
Emission Energy [eV]
0.10
0.15
E [meV]
0.20
a) Geometrická lokalizace nosičů v r-prostoru ⇒ delokalizace vlnové funkce v k-prostoru ⇒ zvýšení pravděpodobnosti přechodu („příměs přímých přechodů“) b) Kvantově-rozměrový jev ⇒ zvýšení hodnoty Eg posuv k vyšším energiím fotonu c) Zkrácení vlnové délky emise vede ke snížení ztrát absorpcí na volných nosičích (jsou úměrné λ2)
L
Nanokrystaly Si přechod od nepřímého ke kvazi přímému polovodiči (prof. Pelant)
Lasery
Polovodičové nanostruktury AIIIBV jsou téměř ideální systémy pro součástky vyzařující světlo. Pokrývají spektrum od UV do FIR. Relativně jednoduché ladění vlnové délky emise. Velká účinnost a vysoká životnost.
1. Jaký je rozdíl mezi přímým a nepřímým zakázaným pásem? Uveďte příklady polovodičů s přímým a nepřímým zakázaným pásem. Odpověď:U polovodiče s přímým zakázaným pásem je maximum valenčního a minimum vodivostního pásu pro stejné k. U nepřímého polovodiče jsou kval pro maximum valenčního pásu a kvod pro minimum vodivostního pásu různá. Přímé polovodiče: GaAs, InAs, GaN, AlN (AIIIBV) Nepřímé polovodiče: Si, Ge
2. Uveďte zářivé kanály v polovodičích. Odpověď: Kanály zářivé v polovodičích jsou: a) Zářivá rekombinace volných elektronů a děr (rekombinace pás-pás). b) Zářivá rekombinace volný elektron (díra) – neutrální akceptor (donor) e-A0 (h-D0). c) Zářivá rekombinace donor–akceptorových párů (D0-A0). d) Zářivá rekombinace elektron-děrových párů (excitonů X).
3. Jaká je pásová struktura kvantové jámy a čím se liší od klasické heterostruktury? Odpověď: Energetické úrovně pro elektrony a díry jsou v kvantové jámy diskrétní a to je podstatný rozdíl od spojitého pásového spektra klasických heterostruktur. Rozdílná je i hustota stavů, která je pro kvantovou jámu schodovitá, na rozdíl od objemového polovodiče, kde je funkcí energie E1/2.
4. Proč jsou optické efekty v polovodičových nanostrukturách daleko silnější než v objemových polovodičích? Odpověď: a) efektivní záchyt nerovnovážných nositelů (elektronů a děr) v potenciálových jamách. b) Větší překryv vlnových funkcí elektronů a děr. c) Větší vazebná energie excitonů, excitony jsou pozorovatelné i při pokojové teplotě. d) Potlačený vliv příměsí.
5. Jaký je rozdíl mezi kvantovými jamami I. a II. druhu a co z něho vyplývá pro účinnost zářivé rekombinace? Odpověď: U kvantové jámy I. druhu leží minimum vodivostního pásu a maximum valenčního pásu ve stejné vrstvě. U kvantové jámy II. druhu leží minimum vodivostního pásu a maximum valenčního pásu v různých vrstvách, jsou prostorově oddělené. Z toho plyne, že překryv vlnových funkcí bude pro kvantové jámy II. typu menší než pro kvantové jámy I. druhu, a proto účinnost zářivé rekombinace bude menší.
6.Jaký je zásadní rozdíl mezi lasery s „klasickými“ kvantovými jamami a kaskádními lasery? Odpověď: U laserů s „klasickými“ kvantovými jamami dochází k zářivé rekombinaci elektronů a děr. U kaskádních laserů dochází k zářivým přechodům pouze mezi elektronovými hladinami, z excitovaného stavu do základního. U kaskádních laserů nejsou potřeba děrové stavy.
