Quantum wells a semiconduttore




                           Direzione
                           di crescita
           ...
Eterostrutture - quantum wells accoppiati
     Due quantum wells isolati: livelli identici, isolati




Due quantum wells ...
Eterostrutture - superreticoli
 quantum well isolato :




N quantum wells accoppiati : i livelli isolati si dividono in N...
Confinamento quantico: superreticoli e MQW




                 Superreticolo: alternanza di strati di
                 se...
Metodi usati per costruire nanostrutture di dimensionalità e quindi DOS diverse
 Molecular beam epitaxy
 2D (film sottili)...
Laser a Quantum Wire e Quantum Dot
              Diagramma della densità di stati (DOS)
              in banda di conduzio...
Fondamenti sul
funzionamento
Laser



(a) “Pompando” energia in un semiconduttore si promuove un elettrone in banda di con...
Usando materiali semiconduttori composti disponibili si possono progettare
emettitori nel range ~300-1600nm




 Il bandga...
Laser AlGaAs/GaAs/AlGaAs a doppia eterogiunzione
Laser a Quantum well



Nelle eterostrutture, un band gap più piccolo è
solitamente associato a un indice di rifrazione
ma...
Popolazione di portatori in bulk, QW, e singolo QD.
Laser “nanotecnologici” : quantum dot laser




                          QDs usati per:
                          - otten...
Fabbricazione di Quantum-Dot
Self 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 ...
Quantum Dot Lasers (QD L)

                          b) tunneling-injection QD laser:
a) schema:
QD L — Principio di funzionamento
     elettroni
 n-cladding




                                 p-cladding
             ...
Laser “nanotecnologici”: cascata quantica (QC)
Obiettivi:
- laser nel medio infrarosso con lunghezza d’onda scelta ad-hoc ...
Quantum Cascade Laser (QC L) - Principio
 transizione interbanda :
                                                       ...
Multistrati accoppiati generano
‘minibande’ – molti livelli permessi
strettamente spaziati separati da
un ‘minigap’
Eccita...
QC Laser — λ-Tailoring
Fabbricazione di QC-laser


             Combinazione di MBE (controllo spessori)
             e litografia (definizione l...
QC Laser — Dati
λL                                Jth [A/cm2] /
              Pout                                operatio...
6.3   P  Applicazioni
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

6.3 P Applicazioni

1,356 views

Published on

Published in: Technology
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
1,356
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
14
Actions
Shares
0
Downloads
30
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

6.3 P Applicazioni

  1. 1. Quantum wells a semiconduttore Direzione di crescita del cristallo • Molecular beam epitaxy (MBE) Metodi di crescita • Metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD)
  2. 2. Eterostrutture - quantum wells accoppiati Due quantum wells isolati: livelli identici, isolati Due quantum wells accoppiati: i livelli isolati si dividono in due livelli per il sistema combinato, leggermente spostati dalla posizione originale
  3. 3. Eterostrutture - superreticoli quantum well isolato : N quantum wells accoppiati : i livelli isolati si dividono in N livelli per il sistema combinato, tutti leggermente spostati rispetto alla posizione originale. Formano una mini-banda di stati
  4. 4. 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
  5. 5. Metodi usati per costruire nanostrutture di dimensionalità e quindi DOS diverse Molecular beam epitaxy 2D (film sottili), 0D (quantum dots) Sintesi chimica 1D (q-wires), 0D (q-dots) Etching di strutture bulk 1D (pori/pillar) Impiantazione e annealing 0D (q-dots) Litografia elettronica (dimensioni non veramente confinate – solitamente >30nm) Filling of holes 1D (q-wires), 0D (q-dots sul fondo di pori) Nanowires: crescita VLS 1D (q-wires), ‘1.5D’ (ribbons/belts) Il bandgap dei semiconduttori può essere modificato, modulando la dimensionalità del sistema Si 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
  6. 6. 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
  7. 7. Fondamenti sul funzionamento Laser (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.
  8. 8. Usando materiali semiconduttori composti disponibili si possono progettare emettitori nel range ~300-1600nm Il bandgap dipende da - composizione - struttura (q-wells, q-dots)
  9. 9. Laser AlGaAs/GaAs/AlGaAs a doppia eterogiunzione
  10. 10. Laser a Quantum well Nelle eterostrutture, un band gap più piccolo è solitamente 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).
  11. 11. Popolazione di portatori in bulk, QW, e singolo QD.
  12. 12. Laser “nanotecnologici” : quantum dot laser QDs usati per: - ottenere la λ desiderata -aumentare l’efficienza quantica diminuire la corrente di soglia
  13. 13. Fabbricazione di Quantum-Dot Self Assembled Quantum Dots: Strained InAs su GaAs (crescita Stranski-Krastanov)
  14. 14. 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.
  15. 15. Quantum Dot Lasers (QD L) b) tunneling-injection QD laser: a) schema:
  16. 16. QD L — Principio di funzionamento elettroni n-cladding p-cladding OCL OCL QD holes a) Sopressione della b) “Caso limite” ricombinazione parassitica nell’ OCL
  17. 17. 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 cascata Partecipano solo gli elettroni (meccanismo unipolare) Un elettrone viene iniettato nel livello 3 della prima 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)
  18. 18. Quantum Cascade Laser (QC L) - Principio transizione interbanda : Eappl transizione intersottobanda : Tunneling rate >> τ3 = 1 ps e τ2 = 0.3 ps << τ32 > 1 ps inversione di popolazione
  19. 19. Multistrati accoppiati generano ‘minibande’ – molti livelli permessi strettamente spaziati separati da un ‘minigap’ Eccitazione La regione di iniezione è progettata 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) Emissione Transizione laser : transizione fra i livelli 3 e 2 della banda di conduzione (fra sottobande). “Transizione Intrabanda” Rilassamento Dopo la transizione laser è necessario un rilassamento veloce dal livello 2 al livello 1 Ottenuto 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
  20. 20. QC Laser — λ-Tailoring
  21. 21. Fabbricazione di QC-laser Combinazione di MBE (controllo spessori) e litografia (definizione laterale) Iniettore Zona attiva
  22. 22. QC Laser — Dati λL Jth [A/cm2] / Pout operation T first mode demo [mW] Eth [kV/cm] [μm] [year] 3.4 – 80 200 – 300 250 – 290 / PM or CW 350 1994 (CW) up to 7.5 – 48 on cooler AT&T 1000 (PM) Bell Labs Material systems: GaAs based, InP based, Si / SiGe on GaSb, InAs / AlSb on GaSb CW = continuous wave; PM = pulse mode 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)

×