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 A III B V 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-a 0 (h- D 0 ). 3. Zářivá rekombinace donor-akceptorových párů D 0 -A 0. 4. Zářivá rekombinace excitonů X.
elektron-děrový pár s Coulombickou interakcí
Stimulovaná emise v polovodičích [Dumke, 1962, prof. Pelant] a) přímý zakázaný pás (GaAs) b) nepřímý zakázaný pás (Si) -α abs = α em αem GaAs α em >α FCA (n=p=10 18 cm 3 ) 1500 cm -1 >10 cm -1 Si α em <α FCA (!!) (n=p=10 18 cm 3 ) ~0,32 cm -1 < 6 cm -1
Vrstva polovodiče s menším E g pásu sevřená mezi dvěma vrstvami polovodiče s větší E g. 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 E n =(ħ 2 /2m) (nπ/l Z ) 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
E n =E 0 (L Z ) n Absorpce
E n =E 0 (L Z ) n
InAs QD na GaAs Díky pnutí, InAs má větší mřížkovou konstantu MOVPE, růstový mód Stranski- Krastanov
1 QD vrstva 4 QD vrstvy a b
AFM a TEM
InAs QD
PL Intensity [arb. units] 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 QD G QD 1EX QD 2EX WL GaAs In.23 GaAs.77 As T=7 K λ ex =670 nm 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Emission Energy [ev]
Normalized PL Intensity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 23% In 13% In 06% In 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 In x Ga 1-x As; RT, λ exc = 0.808 µm.
PL Intensity [arb. units] 50000 40000 30000 20000 10000 InAs QD In 0.35 Ga 0.65 As capping RT QD 1 st ex QD gst 0 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Wavelength [nm]
MPL Intensity [a.u.] s sample I p mg. field d Fock-Darwin model (single twodimensional particle confined in a parabolic well). 2 p 1 H = + m*(ω 2 1 0 + ω 2 ) r 2-1 ω 2 l 2 m* 2 4 2 30 c c z 25 30 20 Mg. Field [T] 20 10 0 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 Emission Energy [ev] B [T] 15 10 5 0 0.05 0.10 0.15 0.20 E [mev]
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 E g posuv k vyšším energiím fotonu c) Zkrácení vlnové délky emise vede ke snížení ztrát absorpcí na volných nosičích (jsou úměrné λ 2 )
L Nanokrystaly Si přechod od nepřímého ke kvazi přímému polovodiči (prof. Pelant)
Lasery
Polovodičové nanostruktury A III B V 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 k val pro maximum valenčního pásu a k vod pro minimum vodivostního pásu různá. Přímé polovodiče: GaAs, InAs, GaN, AlN (A III B V ) 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-a 0 (h-d 0 ). c) Zářivá rekombinace donor akceptorových párů (D 0 -A 0 ). 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 E 1/2.
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.