Introducción a los excitones en la óptica semiconductora

El dispositivo semiconductor optoelectrónico se encuentra en la intersección de electrónica y fotonica, permitiendo dispositivos que generan, detectan o controlen la luz. Desde el diodo de emisión de luz ubicuo (LED) hasta diodos láser de alta potencia y células solares de próxima generación, el rendimiento de estas tecnologías depende de una partícula microscópica: el exciton.

Un exciton es un estado consolidado de un electrón y un agujero que se atraen entre sí a través de las fuerzas Coulomb. Cuando un foton con energía mayor que el bandgap semiconductor se absorbe, un electrón se promueve desde la banda de valence a la banda de conducción, dejando atrás un agujero cargado positivamente. En lugar de permanecer como portadores de carga independientes, el electrón y el agujero pueden formar un par de hidrógeno, con el agujero de excito

El estudio de excitons no es meramente académico; afecta directamente el rendimiento del dispositivo del mundo real. En LEDs, la recombinación eficiente de exciton produce luz. En las células solares, los excitons deben ser disociados eficientemente para generar corriente eléctrica. En láser, las interacciones exciton pueden modular las ganancias y las corrientes de umbral.

Naturaleza física y formación de los excitones

Se forman excitones cuando un semiconductor absorbe un fotono con energía justo encima del bandgap. El electron y el agujero se crean en estrecha proximidad y experimentan una atracción mutua de Coulomb. Esta atracción puede ser lo suficientemente fuerte para mantenerlos correlacionados como un par atado, especialmente a bajas temperaturas o en materiales con baja proyección dielectrica.

La energía de unión de un exciton determina su estabilidad. En los semiconductores convencionales tridimensionales como silicio o arsenida de galio, las energías de unión de exciton son modestas, por orden de unos pocos a diez de millielectronvolts (meV). A temperatura ambiente (alrededor de 26 meV), estos excitos son fácilmente disociados, por lo que los dispositivos de silicion

Los excitones también pueden interactuar con phonons (vibraciones de celo), defectos y otros excitons. Estas interacciones afectan su movilidad, vida y caminos de recombinación. Por ejemplo, la dispersión de exciton-fonón puede recortar la energía de la recombinación radiativa, reduciendo la eficiencia cuántica.

Tipos de excitones

Wannier-Mott Excitons

Las excitonas Wannier-Mott se caracterizan por un gran radio, por orden de varios nanometros, y una energía de unión relativamente débil (típicamente 1–100 meV). Son comunes en semiconductores inorgánicos con altas constantes dieléctricas, como el arsenuro de gallium (GaAs), el cadmio Telluride (CdTe) y el silicio.

Excitons Frenkel

Excitonkel desmontable, con el electron y el agujero localizados en la misma molécula o dentro de un solo sitio de la celosía. El radio es comparable a la constante de la rejilla, y las energías de unión pueden superar los 0,5 eV. Los excitones de Frenkel son típicos en semiconductores orgánicos, cristales moleculares y algunos aisladores.

Biexcitons y Trions

En las densidades de excitación más altas, se pueden formar especies excitonas más complejas. Un biexciton consiste en dos excitones unidos, es decir, dos electrones y dos agujeros. Los biexcitones tienen una energía total inferior a dos excitones separados, y su presencia puede conducir a nuevas líneas de emisión en espectros de fotoluminiscencia. Un trión es un exciton cargado: un trión negativo (dos)

El papel de los excitones en los dispositivos Optoelectrónicos

Diodes de emisión de luz (LEDs)

En un LED, la corriente eléctrica inyecta electrones y agujeros en la región activa, donde se combinan para formar excitones. La recombinación radiativa de excitones libera energía como fotones. La eficiencia de este proceso se cuantifica por la eficiencia cuántica interna (IQE), que depende del equilibrio entre la recombinación radiativa y no radiativa.

láser semiconductor

En los diodos láser, los excitons juegan un doble papel. A bajas temperaturas, la ganancia exciton puede contribuir a la láser, especialmente en semiconductores II-VI y ciertos láseres orgánicos. A temperatura ambiente en la mayoría de los láseres comerciales (por ejemplo, basados en GaAs), los excitones se disocian térmicamente en portadores libres, y la ganancia viene de plasma electron-hole.

Celdas solares y fotodetecdores

Los dispositivos de disociación de fotovoltaicas, la formación de excitones después de la absorción de fotones, son el primer paso. Para la conversión eficiente de energía, los excitones deben ser disociados en electrones y agujeros libres antes de recombina. En las células solares orgánicas de heterojunción masiva, esto se consigue en la interfaz entre un donante de electrones y un material de aceptación, donde las unidades de compensación de energía

Dinámica de excitones: Formación, Transporte y Recomenstrucción

Formación y Termalización

Después de fotoexcitación, un par de electrones caliente se enfría rápidamente a través de la emisión de fonón, normalmente dentro de picos. Si la energía de unión es significativa, el electron y el agujero pueden unirse para formar un exciton durante este proceso de enfriamiento. El tiempo de formación depende de las propiedades materiales y la densidad de excitación. En semiconductores de vv mayor volumen, la formación de exciton ocurre en unos pocos picos; en TMDs 2D debido a la interacción fuerte, puede ser incluso fuerte.

Difusión y transporte

Los excitones son quasiparticles neutros, por lo que no están influenciados por campos eléctricos directamente. Sin embargo, pueden difundir a través de saltos aleatorios o movimiento coherente (en cristales de alta calidad). Longitud de difusión exciton —la distancia promedio que un exciton viaja antes de recombinar— es un parámetro clave en los dispositivos excitoelectrónicos.

Pautas de reconstrucción

Excitons recombinación de la superficie, que se usa en varios canales. La recombinación radical produce un fotones y se desea en LEDs y láseres. La recombinación no radiativa incluye la recombinación de la desinfección mediada (Shockley-Read-Hall)

Excitons in Emerging Materials

Semiconductores de dos dimensiones

Exciton de metal transition (TMDs) como MoS2, WS2, MoSe2, y WSe2 se han convertido en un parque infantil para la física exciton. En forma monocapa, confinamiento cuántico y reducción de la detección dielectrica conducen a enormes energías de unión exciton (0.3–0.6 eV).

Lead Halide Perovskites

Exciton de polinización de alta calidad de la energía [4], se han revolucionado los fotovoltaicos con eficiencias de conversión de energía superiores al 26%. Los excitones de los perovskitos son intermedios entre los tipos Wannier-Mott y Frenkel, con energías vinculantes alrededor de 10–50 meV a temperatura ambiente, insuficientes para los materiales estables pero también permitiendo una disociación eficiente.

Semiconductores orgánicos

La optoelectrónica orgánica se basa en excitones Frenkel. En LEDs orgánicos (OLED), la formación de excitones después de la inyección de carga conduce a la electroluminiscencia. Los diferentes estados de giro de excitones -singlet (sepción total 0) y triplet (sepción total 1) tienen efectos profundos.

Desafíos y futuras orientaciones

Controlar la disociación y la Recombación Exciton

Uno de los retos centrales en optoelectrónica es controlar cuándo y cómo los excitones se disocian o recombina. En las células solares, queremos una disociación eficiente en los portadores libres; en los LEDs queremos una recombinación radiativa eficiente. Lograr ambas en la misma plataforma de materiales requiere una ingeniería cuidadosa de interfaces, perfiles de dopaje y densidades defectuosas.

Efectos de alta densidad y la Recombación de los Avanzados

En las densidades de excitación alta, interacciones exciton-exciton y rendimiento del límite de recombinación de Auger. En los LEDs InGaN azul-emitting, la droop de eficiencia se atribuye en gran medida a la recombinación de Auger. En materiales 2D, la aniquilación exciton-exciton se hace severa a densidades modestas, capping luminescence.

Excitons en la Temperatura de la habitación

Muchos fenómenos exciton excitantes se observan sólo a temperaturas criogénicas debido a la disociación térmica. Sin embargo, el descubrimiento de excitones estables de temperatura ambiente en las DMO y los peróvskitas ha abierto la puerta a aplicaciones prácticas. Ampliar estos efectos a otros materiales, como monocapas de grupo IV (siliceno, germaneno) o compuestos IV-VI, es un área activa de investigación de exploración de la extintura de la habitación.

Integración con Nanofotónica

Los excitones de acoplamiento potentes producen estados híbridos llamados exciton-polaritons, que tienen carácter fotonico y excitonico. Los dispositivos polarizados, como los láseres polaritos, los interruptores y los transistores polares, están surgiendo como plataforma para la lógica ultrarrápida todo-optica.El desafío radica en lograr un fuerte acoplamiento electrónico en la sala de polares.

Conclusión

Los dispositivos de comunicación son centrales para la operación y optimización de dispositivos optoelectrónicos semiconductores. Su energía vinculante, dinámica e interacciones determinan cómo la luz se genera, absorbe y se convierte de manera eficiente. Desde los excitones de gran radiación Wannier-Mott en semiconductores convencionales III-V hasta los excitones de alta tensión de Fregeneración en materiales orgánicos, y ahora hasta los sólidos