Optoelectrónica

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Tema 2: 
INGENIERÍA DE MATERIALES 
en Optoelectrónica
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores. Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores. Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
INGENIERÍA DE MATERIALES: INTRODUCCIÓN
Existe toda una gama de 
dispositivos electrónicos y 
optoelectrónicos
 
ligados a 
las aplicaciones más 
importantes de nuestro 
mundo actual: la 
electrónica, la información 
y las telecomunicaciones
Optical semiconductor amplifiers 
(SOAs), optical switches, modulators, 
multiplexers, splitters, filters, ... 
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores.
-Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
Si GaAs GaN
ESTRUCTURA DE BANDAS
INGENIERÍA DE MATERIALES: SEMICONDUCTORES
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores.
-Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
INGENIERÍA DE MATERIALES: ESTADÍSTICA
( ) kTEE
c
FceNn −−=
23
2
*
2
2 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
hπ
kTmN cc
( ) kTEE
v
vFeNp −−=
23
2
*
2
2 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
hπ
kTmN vv
2
i nn p =
Caso degenerado
SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO
INGENIERÍA DE MATERIALES: ESTADÍSTICA
d
c
cF N
NkTEE ln −=
Diodo
 
P-N
Unión P-N en equilibrio
h A– h A– h A–
A– h h e h A–
h A– h A– h A–
D+ e D+ e D+ e 
D+ e h e D+ e
D+ e D+ e D+ e
h A– h A– A–
A– h h e A–
h A– h A– A–
D+ D+ e D+ e 
D+ h e D+ e
D+ D+ e D+ e
e e e e
h h h h
h
e
P-N con voltaje
 
aplicado
e e e e
h h h h
h
e
EFp
EFn
e e e e
h h h h
h
e
EFp
EFn
INGENIERÍA DE MATERIALES: UNIÓN-PN
La probabilidad de recombinación 
será proporcional a np, por lo que 
la corriente de portadores 
entrando en la zona activa (donde 
recombinan) debe ser igual a la 
tasa de recombinación.
INGENIERÍA DE MATERIALES: UNIÓN P-N
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores. Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
POZOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
AlGaAs
 
GaAs
GaInNAs
GaAs
GaInP
GaAs
POZO CUÁNTICO: capa ultra-delgada 
encerrada entre sendas capas de otro 
semiconductor de mayor banda prohibida.
Los electrones y huecos atrapados en el 
pozo (confinados en la dirección Z se 
podrían mover libremente en el plano XY.
POZOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
EL ALINEAMIENTO DE LAS BANDAS 
ENTRE SEMICONDUCTOR POZO Y 
SEMICONDUCTOR BARRERA 
DEPENDE DE LA NATURALEZA 
QUÍMICA DE ÉSTOS.
ALINEAMIENTO TIPO I
( ) gv
gc
EQE
EQE
Δ−=Δ
Δ=Δ
1
g
c
ggg
E
EQ
EEE
Δ
Δ
=
−=Δ 2,1,
Barreras de 
potencial para 
electrones y 
huecos.
Q: parámetro de 
alineamiento 
(band offset) 
POZOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
En el caso de huecos, 
hay que recordar que 
tenemos dos bandas 
(asociadas a spin 
total 3/2) 
degeneradas en k=0
En la aproximación de pozo 
infinito y suponiendo bandas 
parabólicas:
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
LA ANCHURA DEL 
POZO DETERMINA 
LA ENERGÍA DE LA 
TRANSICIÓN 
ÓPTICA.
EL CÁLCULO SE 
MUY SIMPLE PARA 
LA BANDA DE 
CONDUCCIÓN, PERO 
NO TANTO PARA LA 
BANDA DE 
VALENCIA, SI SE 
NECESITA DE k>0.
POZOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
Ejercicio: demostrar 
la expresión.
La densidad de estados por unidad 
de energía en el caso bidimensional:
2
*
)(
2
1
22
 
)()(
h
l
l
π
ρ
ρ
he
D
N
DD
m
EEED
=
−Θ= ∑
=
HILOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
HILO CUÁNTICO: Tenemos barreras 
de potencial en dos direcciones.
Los electrones y huecos atrapados en el 
hilo (confinados en la direcciones Z y X) 
sólo se podrían mover libremente a lo largo 
de la dirección Y.
HILOS CUÁNTICOS
Self-assembled
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
InAlAs-InAs
InAs-InP
T-shaped
V-groove
HILOS CUÁNTICOS
Rectangulares………………………..…,solución numérica
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
HILOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
HILOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
La densidad de estados es ahora infinita en 
el borde de absorción de cada subbanda
PUNTOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
Ahora los electrones y huecos confinados en el 
punto cuántico no se pueden mover y podríamos 
tener, dependiendo de sus dimensiones, hasta 
dos electrones: ATOMO ARTIFICIAL
Auto-ensamblados
Litografía
PUNTOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
PUNTOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
El confinamiento espacial 
de portadores tiene muchas 
implicaciones sobre las 
propiedades ópticas y de 
transporte de los 
portadores. 
Parte de esstas 
implicaciones tienen que 
ver con la densidad de 
estados. 
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores. Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
INGENIERÍA DEL GAP O DE LA ESTRUCTURA DE BANDAS : 
Diseño de estructuras basadas en materiales semiconductores con 
distintos valores de la banda prohibida. El conjunto de capas 
delgadas que determina tales estructuras le confiere unas 
determinadas propiedades para crear dispositivos con propósitos 
específicos.
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
ELECCIÓN DE LOS MATERIALES ADECUADOS PARA
- LA ZONA ACTIVA
- ELECTRODOS (DOPADO)
- CONFINAMIENTO OPTICO
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
LA ESTRUCTURA DE BANDAS SE ALTERA CUANDO LA RED CRISTALINA 
ESTÁ SOMETIDA A TENSIONES, COMO LAS QUE SE PRODUCEN AL 
CRECER MATERIALES DIFERENTES SOBRE UN DETERMINADO 
SUBSTRATO 
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
CONTROLANDO LAS CONDICIONES DE CRECIMIENTO Y DE LA 
CANTIDAD DE MATERIAL QUE SE ESTÁ DEPOSITANDO SE PUEDEN 
OBTENER NANOESTRUCTURAS CUÁNTICAS DEBIDO A LA RELAJACIÓN 
DE ESAS TENSIONES INTERNAS 
INGENIERÍA DE MATERIALES: INGENIERÍA DE MATERIALES
2. Ingeniería de Materiales en 
Optoelectrónica
-Introducción.
-Estructura de bandas.
-Estadística de semiconductores.
-Unión P-N.
-Sistemas de baja dimensionalidad (estados electrónicos).
-Ingeniería de materiales.
-Propiedades ópticas de semiconductores y nanoestructuras.
Recombinación en un Semiconductor
El medio activo debe ser un semiconductor 
con estructura de bandas de tipo directo.
- Conservación de Energía: E2 – E1 = hn
- Conservación de Momento: k1 = k2 (kph despreciable)
Ec
Ev
E
k
k
k2
k1
E2
E1
RNR
NR 
ττ
τη
+
=i
PARA SEMICONDUCTORES CON 
GAP DIRECTO ηi > 10 %
PARA SILICIO, EL VALOR 
DISMINUYE HASTA CASI 10-5 % 
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
kradiación
 
despreciable frente a 
los vectores de la red recíproca 
(estados de Bloch), por lo que la 
transición es vertical
ABSORCION ÓPTICAINGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
νh
BC
2
1
BVCVf==
ABSORCION ÓPTICA
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
νh
BC
2
1
BV
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
ABSORCION ÓPTICA
(en el caso general)
Número de posibles transiciones 
radiativas
 
con energía hν
Probabilidad de que una 
transición de absorción esté
 permitida a esa energía
Probabilidad de que una 
transición de emisión esté
 permitida a esa energía
α
 
> 0 significa absorción
α
 
< 0 significa ganancia
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
ABSORCION ÓPTICA
(en el caso general)
Probabilidad de que un estado 
cuántico con energía E1
 
(E2
 
) esté
 ocupado con un electrón en BV (BC).
))(1)(()( 12 EfEfEf pnemisión −=
Probabilidad de que un estado 
cuántico con energía E2
 
(E1
 
) esté
 vacío en BC (BV).
))(1)(()( 21 EfEfEf npabsorción −=
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
ABSORCION ÓPTICA
(en el caso general)
α
 
> 0 significa absorción
fp (E1 ) > fn (E2 )
α< 0 significa ganancia
fp (E1 ) < fn (E2 )
[ ])()()()( 21 EfEfEDE npCV −∝α
ABSORCION ÓPTICA
No se puede explicar con la 
fórmula anterior
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
EL EXCITÓN
Atracción coulombiana e-h
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Vida y muerte de un 
EXCITÓN
FOTÓN
FOTÓN
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
r
r
HB m
maa ε0* =
EL EXCITÓN
Modelo del átomo de hidrógeno
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
r
r
HB m
maa ε0* =
EL EXCITÓN
Modelo del átomo de hidrógeno
Excitones estables a 
temperatura ambiente
EL EXCITÓN
Estado ligado hidrogenoide
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en un Semiconductor
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Electrón 
caliente
Termalización
Fonones
Fotones
Recombinación RADIATIVA
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Emisión 
Espontánea
Emisión 
Estimulada
Velocidad de 
recombinación 
Rspsp = B np
LEDs
Velocidad de 
recombinación 
depende de n, p y 
de la densidad de 
fotones.
LÁSER
Recombinación en un Semiconductor
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Los defectos puntuales y otros defectos 
cristalinos (niveles profundos) suelen ser 
trampas para electrones o huecos, dando 
lugar a la recombinación no radiativa de 
estos portadores.
Algo parecido sucede en la superficie del 
semiconductor.
HAY QUE EVITARLOS EN 
COMPONENTES 
ÓPTICOS/OPTOELECTRÓNICOS
fonones
fonones
Recombinación en un Semiconductor 
Indirecto
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Γ
k
Transiciones ópticas en 
pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Absorción en pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
EN EL EXPERIMENTO NOS 
ENCONTRAMOS UN BUEN 
ACUERDO CON LAS 
TRANSICIONES ÓPTICAS 
BANDA-BANDA con n = 0, e 
incluso con n distinto.
SE ROMPE LA 
DEGENERACIÓN DE LA 
BANDA DE VALENCIA en k=0
NO SE DISTINGUEN BIEN 
LOS ESCALONES DE LA 
DENSIDAD DE ESTADO 
BIDIMENSIONAL, DEBIDO A 
LOS EFECTOS EXCITÓNICOS 
Y MEZCLA TRANSICIONES 
HH Y LH. 
Recombinación en pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
CRIOSTATO
E2
L1
L2
Filtros
neutros
Láser de Nd:YVO4
doblado
Láser Ti:zafiro
 sintonitzable
E1
L3
PMT
APD
PD
M
onocrom
ador muestra
-Lock-in
-Contador
Configuración backscattering para 
medida de Fotoluminiscencia (PL) y 
excitación de la PL (PLE)
Recombinación en pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
- La energía de la transición 
óptica aumenta (longitud de 
onda disminuye) al reducir la 
anchura del pozo cuántico o 
incrementar el potencial de 
confinamiento.
Efecto de la anchura del 
pozo y del potencial de 
confinamientoe-LHe-HH
- Al existir una barrera finita adicional a la de pozo cuántico, 
puede no haber estado ligado por debajo de una Lmin .
- Cuando el pozo se hace muy estrecho la función de onda de los 
portadores se deslocaliza en las barreras.
PL
2 4 7 nm
Recombinación en pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Efecto de la anchura del 
pozo y del potencial de 
confinamientoe-LHe-HH
-
 
Esperamos que al disminuir la anchura 
del pozo aumente la fuerza de oscilador, 
pero solo hasta que el efecto de 
deslocalización (casi 3D) sobre la barrera 
sea importante. 
-
 
Se corrobora experimentalmente esta 
disminución, aunque en un pozo normal es 
un efecto muy pequeño y se notarán antes 
los efectos de las fluctuaciones de espesor.
r
D
oscf τ
12 ∝
Recombinación en pozos cuánticos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
BS
CRIOSTATO
E2
L1
L2
Filtros
neutros
Láser de Nd:YVO4
doblado
Láser Ti:zafiro
 sintonitzable
E1
Òptica
 
d’acoblament
L3
Fotodiodo 
ràpido
Camara
Streak
M
onocrom
ador
retardoCamara
 CCD
muestraPMT -
 
TCSPC
Configuración backscattering para medida de 
PL resuelta temporalmente (TRPL). EL láser 
Ti:zafiro ahora debe ser pulsado (1-2 ps 
anchura, típicamente)
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
Efectos excitónicos.
Energía de enlace.
1s 2s
Existe un incremento de la energía de 
enlace debido al cambio de constante 
dieléctrica entre pozo y barrera. 
Energía de enlace
PLE
LW
δLW
¿¿¿¿¿EXCITONES 
LIBRES O 
LIGADOS????
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
EL EXCITÓN PUEDE 
INCLUSO QUEDAR 
ATRAPADO EN 
MÍNIMOS LOCALES 
DE POTENCIAL.
Las fluctuaciones de la anchura del pozo o 
composicionales (de pozo o barrera dependiendo 
de los materiales) producen un ensanchamiento 
inhomogéneo de la línea de emisión excitónica. La 
anchura homogénea viene determinada por 
procesos de dispersión excitón-fonón.
El excítón es una 
sonda de medida 
nanométrica.PLEPL
LW
δLW
EXCITONES CASI- 
LIBRES
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
TIEMPO DE VIDA RADIATIVO AUMENTA CON T 
(equilibrio térmico de la población excitónica 2D) con una 
pendiente inversamente proporcional a la fuerza de oscilador 
de la transición óptica.
TRPL
Aumentaría con T si no existiesen mecanismos de 
recombinación no radiativos
LA RECOMBINACIÓN 
EXCITÓNICA, ¿ES 
RADIATIVA HASTA 
TEMPERATURA 
AMBIENTE?
El cálculo de las energías de confinamiento de electrones y huecos es muy sensible al offset 
de las bandas AlGaAs/GaAs. Se puede estimar este offset dado que el mecanismo no 
radiativo viene activado por la energía de escape del portador menos confinado.
QC = 70 % QC = 65 %
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
TRPL
UNA VEZ SABIENDO CALCULAR ESTADOS CONFINADOS EN EL POZO 
CUÁNTICO SE PUEDE HACER UNA PRIMERA ESTIMACIÓN DEL 
ALINEAMIENTO DE BANDAS ENTRE DOS MATERIALES. 
Un ejemplo menos conocido: InGaP/GaAs
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
PLE
PL
COMPARANDO LAS 
ENERGÍAS MEDIDAS EN 
ESTRUCTURAS CON 
POZOS DE ANCHURAS 
DIFERENTES CON LAS 
CALCULADAS PARA 
VARIOS FACTORES DE 
ALINEAMIENTO, SE 
PUEDE DAR UN VALOR 
APROXIMADO PARA 
ÉSTE.
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
PL con 
presión
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
En este ejemplo de pozo cuántico las 
fluctuaciones de composición en la 
barrera son responsables del 
ensanchamiento inhomogéneo de la 
emisión excitónica.
En GaAs/AlGaAs son las fluctuaciones de 
espesor. Simultáneamente, se produce 
una separación energética entre el pico de 
PL y el de PLE (Stokes Shift –SS-) que es 
tanto mayor cuanto mayor es el 
ensanchamiento inhomogéneo. Esto es 
general, tanto si los excitones quedan 
atrapados débilmente (localización débil 
o de Anderson) o fuertemente.
1.50 1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80
15nm 10nm
4.8nm3.4nm 2.3nm 1.4nm
0.85nm
(a)
 
 
Energy (eV)
hh1s (b)
1.4 nm QW
 
 
 
lh1shh1s
(c)
2.3 nm QW
 
 
 
lh1shh1s(d)
3.4 nm QW
 
 
 
PL
 In
te
ns
ity
 (a
rb
. u
ni
ts
)
e 1
-h
h 2lh1shh1s (e)
4.8 nm QW
 
 
 
e 2
-h
h 1e2-hh2lh1s
hh1s
(f)
10 nm QW
 
 
 
e 2
-lh
2
e 2
-h
h 2
lh1shh1s
GaAs/InxGa1-xP
x = 0.43
(g)
15 nm QW
 
 
Si la localización es débil, 
MODELO TERMALIZACIÓN
Se verifica en pozos basados en GaAs/AlGaAs y otros similares 
en calidad.
Si la localización es fuerte, 
MODELO GEOMÉTRICO
Se verifica en pozos basados en 
algunos materiales II-VI.
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
(-6 + 1.1*FWHM)meV
GaAs/InxGa1-xP
x = 0.43
 
 
SS
 (m
eV
)
FWHM (meV)
Yang et al. PRL 70, 323 (1993)
0 50 100 150 200 250
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
(-4.9 + 0.185*FWHM2) mev 2
GaAs/InxGa1-xP
x = 0.43
 
 
SS
 x
 k
T c
 (m
eV
 2 )
FWHM 2 (meV 2)
Los pozos InGaP/GaAs 
están en el límite con 
matices.
Ejercicio: revisar las características de 
ambos modelos
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en pozos cuánticos
NR y NRR son las poblaciones de excitones 
libres y localizados (en un mínimo de 
potencial), cuya estadística de ocupación 
viene definida por un BORDE DE 
MOVILIDAD (EME), g(E) es la densidad de 
estados, tloc el tiempo de recombinación 
(supuesto el mismo para ambos tipos de 
excitones) y W la probabilidad de que el 
excitón libre de energía E pase a localizado 
por debajo de esta energía.
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
Recombinación en hilos cuánticos. 
Un ejemplo: hilos auto-ensamblados InAs/InP
Dimensiones Típicas:
Altura ~ 2 nm
Periodo ~ 18 nm
Longitud > 1 µm
Diferencia de 
parámetro de red InAs/InP ~ 3.2 % [110]
[110]
500 nm
500 nm
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
InAs/InP QWR 
samples
θInAs
 
= θc
 
= 1.6 ML θInAs
 
= 2.6 ML
θInAs
 
= 3.6 ML θInAs
 
= 4.6 ML
InAs deposition:
500 x 500 nm2
AFM images
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
0,75 0,85 0,95 1,05 1,15
x1
x1
x10
T=300 K
 
 
I PL
 (a
rb
. u
ni
ts
)
Energy (eV)
x10
T=12 K
T=300 K
T=12 K
b
a
 
 
 
 
 
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
θ = θc+ 3.0 ML
θ = θc+ 2.0 ML
θ = θc+ 0.2 ML
θ = θc
θ = θc- 0.2 ML
PL
 in
te
ns
ity
 (a
rb
. u
ni
ts
)
Wavelength (nm)
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
4 6 8 10 12
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
 I2612-1
 I2612-3
 
 
Pe
ak
 E
ne
rg
y 
(e
V)
Height (MLInAs)
Ref.: B. Alén, J. Martínez-Pastor, A. García-Cristobal, L. González and J.M. 
García, Appl. Phys. Lett. 78, 4025 (2001).
HILOS CUÁNTICOS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
Yoshita
 
et al., PHYSICAL REVIEW B 74, 165332 2006
B. ALÉN, D. FUSTER, Y. 
GONZÁLEZ, L. GONZÁLEZ 
& J. MARTÍNEZ-PASTOR,
 
InAs/InP single quantum wire 
formation and emission at 1.5 
mm,
 
Appl. Phys. Lett. 89,
 
233126-1/3
 
(2006).
InAs SINGLE NANOWIRES EXCITON LIQUID 
VERSUS EXCITON GAS
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
¿Qué
 
es un punto cuántico semicondutor?
Agrupación de 104
 
– 106
 
átomos con orden cristalino, eventualmente 
rodeado de otro material de mayor banda prohibida.
¿CÓMO SON?
WL
QDQD
GaAs
InAs
GaAs
GaAs
QD-InAs
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
¿PORQUÉ?
Motivos de Investigación Básica 
y Aplicaciones
-
 
Modificación de la densidad de estados de 
3D a 0D.
- Fuerte absorción y alta eficiencia radiativa.
- Comportamiento (0D) de “átomo artificial”. 
-
 
Se encuentran inmersos en matriz 
semiconductora, por lo que sus estados se 
podrían controlar a través de dispositivos. 
- Sistemas a dos niveles: gran coherencia.
- Interacción de Coulomb
 
importante.
- Diferentes consecuencias (aplicaciones) 
para QD aislados y para conjuntos.
LASERESLASERES
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
Nueva Física de Semiconductores 
Nuevas Aplicaciones “cuánticas”
¿¿
 
Fotónica + Electrónica ?? 
Fabricación de microcavidades
 
y control preciso de QD e 
impurezas.
Acceso a un estado cuántico
Manejo de estados cuánticos
Inicialización
Procesado
Óptica Qu.
Resultado
Envío
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
Espacio libre
Acceso a un estado cuántico
Manejo de estados cuánticos
p
se
c
se
F
ττ
11 =
3
3
2
8
)(
)(21
c
iHf
QD
QD
QD
ee
πν
νρ
νρπ
τ
=
≈
h
V
Q
n
Fp 3
3
24
3 λ
π
≈
Cavidad
FACTOR DE PURCELL
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
ESTRUCTURA 
ELECTRÓNICA
-
 
Niveles discretos, entre los que existe 
una separación de niveles de electrones 
entre 20 y 70 meV, y unos 10 meV
 
para 
huecos.
- Ello será una situación favorable para la 
operación de dispositivos a temperatura 
ambiente. 
Potencial 
tipo pozo
Potencial tipo 
Oscilador 
armónico
2D
0D
fotón
CAPA D 
CAPA P 
CAPA S
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
EXCITON-BIEXCITÓN
Los estados puros dan lugar a líneas de emisión con polarización circular, 
mientras que los estados mixtos producen líneas con polarización lineal según las 
direcciónes [1-10] and [110]. En Fotoluminiscencia veremos los dos estados 
brillantes (si están mezclados) como líneas separadas una cierta energía 
(Estructura Fina, FSS) según la polarización usada en detección.
⎩
⎨
⎧
−±
−±
≡±±
Brillante ,11
Oscuro ,22
2
1,
2
3
),(SPIN electrónhueco
Pueden mezclarse 
por la simetría del QD
R. Seguin
 
et al., Phys
 
Rev
 
Lett
 
95, 257402 (2005)
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
LOS TRIONES 
Si en el QD existe, por ejemplo, una electrón (hueco), previo a la formación del 
excitón (por captura o fotogeneración directa), obtenemos una nueva cuasipartícula, 
el trión negativo (positivo). En este situación se elimina la interacción de intercambio 
electrón-hueco y desaparecen los efectos de polarización.
G. Bester, A. Zunger, Phys
 
Rev
 
B 68, 73309 (2003)
X-
INGENIERÍA DE MATERIALES: BAJA DIMENSIONALIDAD
FenFenóómeno meno 
IntrIntríínseconseco
Transiciones Transiciones radiativasradiativas
IntrIntríínsecos: nsecos: Interacciones entre los portadoresInteracciones entre los portadores
ExtrExtríínsecos: nsecos: Interacciones entre impurezasInteracciones entre impurezas
EstructuraEstructura
ReproducibleReproducible
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
AsignaciAsignacióón n ExcitExcitóónicanica y y MultiexcitMultiexcitóónicanica::
Transiciones a bajas potencias.Transiciones a bajas potencias.
EvoluciEvolucióón lineal y n lineal y superlinealsuperlineal..
Contraste con datos en Literatura.Contraste con datos en Literatura.
 
 
 
 
 
 
 
 
X+X
0
 
8,3 P0
6,7 P0
4,2 P0
2,5 P0
2 P0
1,5 P0
 P0
0,7 P0
0,5 P0
0,4 P0
0,3 P0
0,1 P0
X2-
XXX
-
 
 
 
1.060 1.062 1.064 1.066 1.068 1.070 1.072
x2
 
E(eV)
 
INGENIERÍA DE MATERIALES: PROPIEDADES OPTICAS
InAs
QUANTUM DOTS on 
patterned GaAs
Confocal micro-PL 
image 
2. QLS: 2. QLS: Single Photon EmissionSingle Photon Emission
Triggered
Single Photon Emission 
Exciton- 
Biexciton
recombination
2. QLS: 2. QLS: Single Photon EmissionSingle Photon Emission
InAs
QUANTUM DOTS 
patterned on GaAs
QUANTUM DOTS grown on 
patterned GaAs by Ga- 
droplet MBE epitaxy
It can be 
identified+labelled by AFM
2. QLS: 2. QLS: Single Photon EmissionSingle Photon Emission
	TEMA_2_INGENIERxA_DE_MATERIALES_parte1
	Tema 2: ��INGENIERÍA DE MATERIALES en Optoelectrónica
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	Tema 2: ��INGENIERÍA DE MATERIALES en Optoelectrónica
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