Quantum wells a semiconduttore

Direzione di crescita del cristallo

• Molecular beam epitaxy (MBE)

• Metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD)Metodi di crescita

Eterostrutture - quantum wells accoppiatiDue quantum wells isolati: livelli identici, isolati

Due quantum wells accoppiati: i livelli isolati si dividono in due livelli per ilsistema combinato, leggermente spostati dalla posizione originale

Eterostrutture - superreticoliquantum well isolato :

N quantum wells accoppiati : i livelli isolati si dividono in N livelli per il sistemacombinato, tutti leggermente spostati rispetto alla posizione originale. Formano una mini-banda di stati

Confinamento quantico: superreticoli e MQW

Superreticolo: alternanza di strati di semiconduttori diversi (in genere cresciuti per MBE)

Multiple Quantum Wells: superreticolo con spaziatura sufficiente a impedire tunneling

Metodi usati per costruire nanostrutture di dimensionalità e quindi DOS diverseMolecular beam epitaxy2D (film sottili), 0D (quantum dots)Sintesi chimica1D (q-wires), 0D (q-dots)Etching di strutture bulk 1D (pori/pillar)Impiantazione e annealing0D (q-dots)Litografia elettronica (dimensioni non veramente confinate – solitamente >30nm)Filling of holes1D (q-wires), 0D (q-dots sul fondo di pori)Nanowires: crescita VLS1D (q-wires), ‘1.5D’ (ribbons/belts)

Il bandgap dei semiconduttori può essere modificato, modulando la dimensionalità del sistemaSi ottengono quindi materiali ottici che- Possono emettere su un ampio intervallo di frequenze- Hanno una DOS che può essere ingenierizzata⇒ i semiconduttori nanostrutturati possono essere usati per ottenere una varietà di

sorgenti laser

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Laser a Quantum Wire e Quantum Dot

Diagramma della densità di stati (DOS) in banda di conduzione (CB) e in banda di valenza (VB) per laser (a) doppia eterostruttura, (b) quantum well, (c) quantum wire, e (d) quantum dot.

Nei sistemi bidimensionali, il prodotto del numero di occupazione per la densità di stati aumenta molto più rapidamente che nei sistemi 3D, dove la densità di stati va a zero a bordo banda.

Minore la dimensionalità maggiore la densità di stati vicino bordo banda=> Maggiore la frazione di portatori iniettati che contribuiscono (nei laser) all’inversione di popolazione e al guadagno

(a) “Pompando” energia in un semiconduttore si promuove un elettrone in banda di conduzione. L’elettrone lascia dietro di sé una buca nella banda di valenza normalmente piena, e quindi si crea una coppia e-h. L’elettrone e la buca rilassano, ognuno nei rispettivi stati a bordo banda tramite processi non radiativi. Nella transizione a bordo banda, quando l’elettrone eccitato spontaneamente ricombina con la buca, viene emesso un fotone. (b) Si ha emissione stimolata quando un fotone stimola il decadimento dell’elettrone eccitato. Il fotone emesso ha esattamente la stessa frequenza, fase, e polarizzazione del fotone iniziale. (c) Per un ground state che contiene due elettroni, l’eccitazione di solo un elettrone (popolazioni uguali) provoca due fenomeni equiprobabili:Il fotone incidente stimola l’elettrone eccitato a decadere, producendo un ulteriore fotone (sinistra), o il fotone eccita l’elettrone del ground-state e viene quindi assorbito (destra). In questo caso non c’è guadagno netto di fotoni e il mezzo è in regime di trasparenza. (d) Se ci sono più elettroni nello stato eccitato di quanti ce ne siano nel ground state (inversione di popolazione) si ha guadagno ottico perché l’assorbimento di fotoni è inibito. Se si realizza l’inversione di popolazione in un sistema bulk e se il guadagno dall’emissione stimolata è maggiore delle perdite per assorbimento o scattering di fotoni, il sistema ha una emissione spontanea amplificata (ASE). In un laser, si mette un mezzo in grado di realizzare ASE in una cavità riflettente in modo tale che il campo generato si rafforzi.

Fondamenti sul funzionamento Laser

Usando materiali semiconduttori composti disponibili si possono progettare emettitori nel range ~300-1600nm

Il bandgap dipende da- composizione- struttura (q-wells, q-dots)

Laser AlGaAs/GaAs/AlGaAs a doppia eterogiunzione

Laser a Quantum well

Nelle eterostrutture, un band gap più piccolo èsolitamente associato a un indice di rifrazione maggiore. Quindi uno strato di GaAs fra due strati di AlGaAs confina sia gli elettroni che la luce.

I portatori devono essere catturati nel QW efficientemente per sfruttare i vantaggi del sistema 2D (alto guadagno, bassa corrente di soglia).

Popolazione di portatori in bulk, QW, e singolo QD.

Laser “nanotecnologici” : quantum dot laser

QDs usati per:

- ottenere la λ desiderata

-aumentare l’efficienza quantica

diminuire la corrente di soglia

Fabbricazione di Quantum-DotSelf Assembled Quantum Dots: Strained InAs su GaAs (crescita Stranski-Krastanov)

Immagini STM (100 x 100 nm) di QDs di InAs/GaAs cresciuti per MBE su substrati di (100), (311)A, e (311)B GaAs. Substrati con orientazioni diverse permettono di ottenere un controllo sulla forma dei QDs.

Quantum Dot Lasers (QD L)

b) tunneling-injection QD laser:a) schema:

QD L — Principio di funzionamento

a) Sopressione dellaricombinazione parassiticanell’ OCL

n-cl

addi

ng

p-cl

addi

ng

OC

L

OC

L

QD

elettroni

holes

b) “Caso limite”

Laser “nanotecnologici”: cascata quantica (QC)Obiettivi:- laser nel medio infrarosso con lunghezza d’onda scelta ad-hoc (es. per analisi tracce)- altissima efficienza (bassa corrente di soglia, elevata potenza)

Band-gap engineered grazie allo spessore del film Emissione di molti fotoni a cascataPartecipano solo gli elettroni (meccanismo unipolare)

Un elettrone viene iniettato nel livello 3 dellaprima zona attiva, ed emette un fotone decadendo al livello 2 (il ΔE dipende dallo spessore).Quindi “tunnela” attraverso la stretta barriera verso la zona attiva 2. Il processo di emissione si ripete in una configurazione “a cascata” (molti fotoni da un solo elettrone iniettato)

Quantum Cascade Laser (QC L) - Principio

transizione interbanda :

transizione intersottobanda :

Eappl

Tunneling rate >> τ3 = 1 pse τ2 = 0.3 ps << τ32 > 1 ps inversione di popolazione

Multistrati accoppiati generano ‘minibande’ – molti livelli permessi strettamente spaziati separati da un ‘minigap’EccitazioneLa regione di iniezione èprogettata in modo da ottimizzare l’iniezione di elettroni nello stato eccitato della regione attiva (3) (Il più basso livello energetico dell’iniettore è allineato con lo stato eccitato)

RilassamentoDopo la transizione laser è necessario un rilassamento veloce dal livello 2 al livello 1Ottenuto progettando la spaziatura fra livelli in modo che lo svuotamento del livelli è“phonon assisted”

Il processo può essere ripetuto perché il portatore (e) rimane in banda

EmissioneTransizione laser : transizione fra i livelli 3 e 2 della banda di conduzione (fra sottobande). “Transizione Intrabanda”

QC Laser — λ-Tailoring

Fabbricazione di QC-laser

Combinazione di MBE (controllo spessori)

e litografia (definizione laterale)

Zona attiva

Iniettore

QC Laser — Datiλ

Applicazioni:

• Militari e sicurezza

• Commerciali, Mediche

• Free-Space Optical Communication Systems e Astronomia

• Rivelazione di gas basata su spettroscopia laser con lasers CW o QC DFB impulsati (sensori chimici)

L

[μm]Pout

[mW]Jth [A/cm2] /Eth [kV/cm]

operation mode

T first demo[year]

3.4 – 80 200 – 300 (CW) up to 1000 (PM)

250 – 290 /7.5 – 48

PM or CW on cooler

350 1994 AT&T Bell Labs

Material systems: GaAs based, InP based, Si / SiGe on GaSb, InAs / AlSb on GaSbCW = continuous wave; PM = pulse mode