1. Quantum wells a semiconduttore
Direzione
di crescita
del cristallo
• Molecular beam epitaxy (MBE)
Metodi di
crescita • Metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD)

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. 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. 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. 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. 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. 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. Usando materiali semiconduttori composti disponibili si possono progettare
emettitori nel range ~300-1600nm
Il bandgap dipende da
- composizione
- struttura (q-wells, q-dots)

9. Laser AlGaAs/GaAs/AlGaAs a doppia eterogiunzione

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

12. Laser “nanotecnologici” : quantum dot laser
QDs usati per:
- ottenere la λ desiderata
-aumentare l’efficienza quantica
diminuire la corrente di soglia

13. Fabbricazione di Quantum-Dot
Self Assembled Quantum Dots: Strained InAs su GaAs (crescita
Stranski-Krastanov)

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. Quantum Dot Lasers (QD L)
b) tunneling-injection QD laser:
a) schema:

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. 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. 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. 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. QC Laser — λ-Tailoring

21. Fabbricazione di QC-laser
Combinazione di MBE (controllo spessori)
e litografia (definizione laterale)
Iniettore
Zona attiva

23. 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)