phonon resonator and method for its production.pdf

8/14/2019 phonon resonator and method for its production.pdf

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5 , 9 1 7 , 1 9 5P a g e 2

OTHER PUBLICATIONSC l a r k e t a 1 . , S i l a n e P u r i ? c a t i o n V i a L a s e r i n d u c e d C h e r ni s t r y , A p p l . P h y s . L e t t , 3 2 ( 1 ) , p p . 4 6 4 9 , J a n . 1 , 1 9 7 8 .C o h e n , Band S t r u c t u r e s a n d P s e u d o p o t e n t i a l F o r rn F a c t o r sf o r F o u r t e e n S e r n i c o n d u c t o r s o f t h e Diamond andZ i n c b 1 e n d e S t r u c t u r e , P h y s i c a l R e v i e W , v o l . 1 4 1 , N o . 2 ,p p . 7 8 9 7 9 6 , J a n . 1 9 6 6 .C o l l i n s e t a 1 . , I n d i r e c t E n e r g y Gap o f 1 3 C D i a r n o n d , v o l .6 5 , N o . 7 , p p . 8 9 1 8 9 4 . A u g . 1 3 , 1 9 9 0 .D o h l e r e t a 1 . , D o p i n g S u p e r l a t t i c e s ( n i p i C r y s t a l s ) ,J o u r n a l o f Quantum E l e c t r o n i c s , v o l . QE22, N o . 9 , p p .1 6 8 2 1 6 9 5 , S e p . 1 9 8 6 .E g a r n i e t a 1 . , L a t t i c e E f f e c t o f S t r o n g E l e c t r o n C o r r e l a t i o n :I m p l i c a t i o n f o r F e r r o e l e c t r i c i t y a n d S u p e r c o n d u c t i v i t y ,S c i e n c e , v o l . 2 6 1 , p p . 1 3 0 7 1 3 1 0 , S e p . 3 , 1 9 9 3 .E p l i n g e t a 1 . , I s o t o p e E n r i c h rn e n t b y P h o t o l y s i s o n O r d e r e dS u r f a c e s , J . Am. Chem. S o c . 1 9 8 1 , 1 0 3 , p p . 1 2 3 8 1 2 4 0 ,1 9 8 1 .E s a k i e t a l . , A B i r d s E y e VieW on t h e E v o l u t i o n o fS e m i c o n d u c t o r S u p e r l a t t i c e s a n d Quantum W e l l s , J o u r n a lo f Quantum E l e c t r o n i c s , v o l . Q E 2 2 , N o . 9 , p p . 1 6 1 1 1 6 2 4 ,S e p . 1 9 8 6 .E t c h e g o i n e t a l . P h o n o n s i n i s o t o p i c a l l y d i s o r d e d GeP h y s i c a l RevieW B , v o l . 4 8 , N o . 1 7 , N o v . 1 , 1 9 9 3 I .F u c h s e t a 1 . , A n h a r r n o n i c D e c a y T i r n e , I s o t o p i c S c a t t e r i n gT i m e , a n d I n h o r n o g e n e o u s L i n e B r o a d e n i n g o f O p t i c a lp h o n o n s i n 7 0 G e , 7 6 G e , a n d n a t u r a l G e C r y s t a l s , P h y s i c a lRevieW B , v o l . 4 4 , p p . 8 6 3 3 8 6 4 2 , N o . 1 6 , O c t . 1 5 , 1 9 9 1 I I .Fuchs e t a 1 . , I n f r a r e d A b s o r p t i o n i n 7 6 Ge and N a t u r a l GeC r y s t a l s : E f f e c t s o f I s o t o p i c D i s o r d e r o n q=o P h o n o n s ,P h y s i c a l R e v i e W B , v o l . 4 5 , p p . 4 0 6 5 4 0 7 0 , N o . 8 , F e b . 1 5 ,1 9 9 2 I I .F u c h s e t a 1 . , I s o t o p i c Ge S u p e r l a t t i c e s : V i b r a t i o n a l P r o pe r t i e s , S u p e r l a t t i c e s a n d M i c r o s t r u c t u r e s , v o l . 1 3 , N o . 4 , p p .4474581993.H a l l e r , S e r n i c o n d u c t o r I s o t o p e E n g i n e e r i n g , L B L 3 4 2 7 9 ,P r e p r i n t . P r o c . GA D ES T 9 3 , G e t t e r i n g a n d D e f e c t E n g in e e r i n g i n S e r n i c o n d u c t o r s , K l i n g e r n i i h l e , G e r r n a n y , O c t .9 1 4 , 1 9 9 3 .Hass e t a l . , E f f e c t s o f I s o t o p i c D i s o r d e r on t h e PhononS p e c t r u m o f D i a m o n d , P h y s i c a l R e v i e W B , v o l . 4 4 , p p .1 2 0 4 6 1 2 1 7 6 , N o . 2 1 , D e c . 1 , 1 9 9 1 I .I t o h e t a 1 . , High P u r i t y I s o t o p i c a l l y E n r i c h e d 7 0 Ge a n d 7 4G e s i n g l e c r y s t a l s : I s o t o p e S e p a r a t i o n , G r o W t h , a n d P r o pe r t i e s , v o l . 8 , N o . 6 , J u n . 1 9 9 3 .

I y e r e t a 1 . , L i g h t E r n i s s i o n f r o r n S i l i c o n , S c i e n c e , v o l . 2 6 0 ,p p . 4 0 4 6 , A p r . 2 , 1 9 9 3 .K a r n i o k a e t a 1 . , I s o t o p e S e l e c t i v e I n f r a r e d M u l t i p l e P h o t o nD e c o r n p o s t i o n o f H e X a ? u o r o d i s i l a n e , J . P h y s . C h e r n . , 9 0 ,p p . 5 7 2 7 5 7 3 0 , 1 9 8 6 .K l e i n , P h o n o n s i n S e r n i c o n d u c t o r S u p e r l a t t i c e s , IEEEJ o u r n a l o f Quantum E l e c t r o n i c s , v o l . QE22, N o . 9 , p p .1 7 6 0 1 7 7 0 , S e p . 9 , 1 9 8 6 .K o b l i n g e r e t a 1 . , P h o n o n S t o p B a n d s i n A r n o r p h o u s S u p e rl a t t i c e s , P h y s i c a l R e v i e W B , v o l . 3 5 , N o . 1 7 , p p .9 3 7 2 9 3 7 5 , J u n . 1 2 5 , 1 9 8 7 I .L i u e t a l . , A RHEED t u d y o f t h e S u r f a c e R e c o n s t r u c t i o n so f S i ( 0 0 1 ) D u r i n g G a s S o u r c e MBE s i n g D i s i l a n e , S u rf a c e S c i e n c e 2 6 4 , p p . 3 0 1 3 1 1 , 1 9 9 2 .L y r n a n e t a 1 . , E n r i c h m e n t o f B o r o n , C a r b o n , a n d S i l i c o nI s o t o p e s b y M u l t i p l e P h o t o n A b s o r p t i o n o f 1 0 . 6 p r n L a s e rR a d i a t i o n , J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s , v o l . 4 7 , N o . 2 , p p .5 9 5 6 0 1 , F e b . 1 9 7 6 .N i e r n i n e n , H y d r o g e n A t o r n s B o n d T o g e t h e r , N a t u r e , v o l .3 5 6 , p p . 2 8 9 2 9 0 , M a r . 2 6 , 1 9 9 2 .N i l s s o n e t a 1 . , S t u d y o f t h e H o r n o l o g y b e t W e e n S i l i c o n a n dG e r m a n i u m b y T h e r r n a l N e u t r o n S p e c t r o r n e t r y , P h y s i c a lRevieW B , v o l . 6 , N o . 1 0 , N o v . 1 5 , 1 9 7 2 .O l a n d e r , T h e G a s C e n t r i fu g e , S c i e n t i ? c A r n e r i c a n , v o l .2 3 9 , N o . 2 , p p . 3 7 4 3 , A u g . 1 9 7 8 .P r e s t i n g e t a 1 . , U l t r a t h i n S i m G e n S t r a i n e d L a y e r S u p e r l a tt i c e s a S t e p T o W a r d s S i O p t o e l e c t r o n i c s , S e r n i c o n d . S c i .T e c h n o l . 7 , p p . 1 1 2 7 1 1 4 8 , 1 9 9 2 .S e d g W i c k e t a 1 . , A t r n o s p h e r i c P r e s s u r e C h e m i c a l V a p o rD e p o s i t i o n o f S i a n d SiGe a t Low T e m p e r a t u r e s , J . V a c .S c i . T e c h n o l . A 0 ( 4 ) , p p . 1 9 1 3 1 9 1 9 , J u l / A u g . 1 9 9 2 .S p i t Z e r e t a 1 . , R a r n a n S c a t t e r i n g b y O p t i c a l P h o n o n s i nI s o t o p i c 7 0 ( G e ) n 7 4 ( G e ) n S u p e r l a t t i c e s , P h y s i c a l R e v i e WL e t t e r s , v o l . 7 2 , p p . 1 5 6 5 1 5 6 8 , N o . 1 0 , M a r . 7 , 1 9 9 4 .W i l k i n s o n e t a 1 . , I n f r a r e d S p e c t r a o f Some MH4 Mole c u l e s , T h e J o u r n a l o f C h e m i c a l P h y s i c s , v o l . 4 4 , N o . 1 0 ,p p . 3 8 6 7 3 8 7 1 , M a y 1 5 , 1 9 6 6 .Z o l l n e r e t a 1 . , I s o t o p e a n d T e m p e r a t u r e S h i f t s o f D i r e c t a n dI n d i r e c t B a n d G a p s i n D i a r n o n d T y p e S e r n i c o n d u c t o r s ,P h y s i c a l R e v i e W B , v o l . 4 5 , N o . 7 , p p . 3 3 7 6 3 3 8 5 , F e b . 1 5 ,1 9 9 2 I .


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U.S. Patent J u n . 2 9 , 1 9 9 9 S h e e t 1 0 f 1 5 5,917,195

2 O3 0I O

1

E n e r g y(E)

M o m e n t u m a )

A 70 75 7O 75 7O4

I 5 25E> _ BE 70 75 7O 75 7O2L u

. i a FIG. 5k l k 2 M o m e n t u m ( k )FIG?)


4/31


5/31


kISiimu o t e d A b s o r b i i o npontaneous E m i s s i o n

F IGGA

S t i m u l a t e d Emission

FIGBC

FIG.8


6/31


2 8 5 i 2 8 8 i 2 8 5 i, 3 o S i 3 0 S i 3 0 5 i

3 0 8 i 3 0 8 i 2 5 0 5 i28 28 28 I n t e r f a c eS i S i S iF ( 3 . 9 1 2 8 S i 2 8 S i 2 8 S i

2 8 S i 2 8 s i 2 8 s ip J

110-

F ( 5 . I O100__

120

8 6A86B

F I G I I A

130


7/31


8/31


9/31

U.S. Patent J u n . 2 9 , 1 9 9 9 5 , 9 1 7 , 1 9 5h e e t 7 0 f 1 58 2 Side

R e g i o n o f H i g h /R e f r a c t i v e /i n d e x n , 1 0 0

\95W a v e g u i d e

8 4 --+ nSideF I G i S A r210

97

95W a v e g u i d eF | G . I 5 B 1 0 %8 4 - > [ 1 S i d e \

220100A 1008 100C

P h o t o n

110is 2 ~L7 /

100F I G .

T r a n s p a r e n t C o n t a c t

lP h o n o n R e s o n a t o r ( l i g h t l y d o p e d )I

j7 t y p ePhotonA b s o r b e dProduces e h o l e p a i r

I

n - t y p e


10/31


11/31

U.S. Patent J u n . 2 9 , 1 9 9 9 S h e e t 9 0 f 1 5 5,917,1951 1 1 1 2 1

l l

1 2 1 L i g h tIW 1 1 SideView

_ + l -l l I l InL p 4 \ Q.___100

A

L i g h t A b s o r b e dI n d u c e s P h o t o - c u r r e n tF G B e t w e e n N e i g h b o r i n gEiectrodes

ConductionA b s o r p t i o n BondE m i s s i o n 2


12/31

U.S. Patent J u n . 2 9 , 1 9 9 9 S h e e t 1 0 0 f 1 5 5,917,195

I n

FIGZO

FIGZI

I G Z Z


13/31


T 2

5 ._O.3 2 5 3 a .5S e p a r a t i o n ( s u p e r l o ? i c e p e r i o d s )

F|G.23

A w E v9 2 55 2 5 _5._2 0 00 I 5 0

MEAN FREE PA T H (nm)

FIG.24


14/31


_ Mean Free Path = IOOnmI 6 0 /I40

> I 2 0QE I00-3 s06 60C .9 1 40U ' . E 20E O I I I I I Im 50 I00 I50 2 00 250 300

S c a t t e r i n g S t r e n g t h V 0 ImeVI

8OxlO_3 -

60CT\ 40..Q

20

I I I I I I50 I00 I50 200 250 300S c a t t e r i n g S i r e n g t h V 0 I m e V I

FIG.25B


15/31

U.S. Patent J u n . 2 9 , 1 9 9 9 S h e e t 1 3 0 f 1 5 5,917,195E A

A Bi

J >k | k 2 kL___Y__JF I G . 26 q

310Gate320 l '33O r a i n

, J\ _ _ _ _ / I \*84 84[ H y p e 8 2 1 0 0 Mype

p-type PhononF r e g a o n r e g i o n R e s o n a t o r r e g l o n

Source

350 G a t e 3 4 0 O x i d e

F _ J _20S o u r c e / W330r a i n; _ J r84 8 4Fl Gil 8 2 1 0 05 3 5 ? p - t y p e P h o n o n 2 3 2 ?r e g i o n R e s o n a t o r


16/31


100

_/

Device Device40a> 24Gb _ _ _ _ _ _ ,r

82 84p - t y p e r e g i o n n - t y p e r e g i o n

250 Base270 l lCollector 260 ErnltterL A J k J8 2

8 4 9 - 9 4 1 6 1 0 0 8 4- re IOFI _n W P : g P h o n o n p e t y i g :r e g l o Resonator g

FIG.29


17/31


F I G . 3 2

3203 4 0

300

3303 |0

F H133


18/31


19/31

5 , 9 1 7 , 1 9 53

I n p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h ephonon r e s o n a t o r i s a l a y e r e d s t r u c t u r e c o m p r i s i n g a n i s ot o p e s u p e r l a t t i c e i n Which e a c h l a y e r i s e n r i c h e d f o r o n ei s o t o p e o f a n e l e m e n t . Most p r e f e r a b l y , t h e l a y e r s a r ee n r i c h e d f o r d i f f e r e n t i s o t o p e s o f t h e same e l e m e n t , p r e f e ra b l y s i l i c o n . I n some p r e f e r r e d embodiments o f a s i l i c o ni s o t o p e s u p e r l a t t i c e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h e s u p e r l a t t i c eh a s a p e r i o d t h a t i s a n i n t e g e r m u l t i p l e o f ? v e a t o m i c l a y e r s ;i n a l t e r n a t e p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s , t h e p e r i o d i s a n i n t e g e rm u l t i p l e o f t e n a t o m i c l a y e r s .

The phonon r e s o n a t o r o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i n somee m b o d i m e n t s , i s a l s o r e s o n a n t f o r ( d i r e c t i o n a l o r c o h e r e n t )p h o n o n s t h a t a r e g e n e r a t e d b y s t i m u l a t e d p h o n o n e m i s s i o n ,s o t h a t t h e r e s o n a t o r p r o v i d e s a c c e l e r a t e d h e a t t r a n s f e r . I nsome embodiments, t h e phonon r e s o n a t o r p r o v i d e s a s t oc h a s t i c phonon r e s o n a n c e .

The p r e s e n t i n v e n t i o n a l s o p r o v i d e s v a r i o u s d e v i c e s i n c o rp o r a t i n g a phonon r e s o n a t o r . The i n v e n t i o n p r o v i d e s , amongo t h e r t h i n g s , a l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e , c o m p r i s i n g a p h o n o nr e s o n a t o r , a ? r s t e l e c t r o d e d i s p o s e d on a ? r s t s i d e o f t h es t r u c t u r e ; and a second e l e c t r o d e disposed on a second s i d eo f t h e s t r u c t u r e , t h e s e c o n d s i d e b e i n g o p p o s i t e t h e ? r s t s i d e .At l e a s t one o f t h e e l e c t r o d e s can be t r a n s p a r e n t i f d e s i r e d .The l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n c a ni n c l u d e a p - d o p e d r e g i o n a n d a n n - d o p e d r e g i o n , a n d mayf u n c t i o n a s a l i g h t - e m i t t i n g d i o d e (LED). The p - andn - d o p e d r e g i o n s o f t h e l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n may h a v e a h i g h e r b a n d g a p t h a n d o e s t h e phononr e s o n a t o r , s o t h a t e l e c t r o n s and h o l e s a r e confmed W i t h i n t h ephonon r e s o n a t o r . T h e l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n p r e f e r a b l y i n c l u d e s a d i e l e c t r i c W a v e g u i d e , mostp r e f e r a b l y f o r m e d b y t h e p - d o p e d r e g i o n a n d t h e n - d o p e dr e g i o n , e a c h h a v i n g a r e f r a c t i v e i n d e x h i g h e r t h a n t h a t o f t h es t r u c t u r e . I n some embodiments, t h e l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e o ft h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a l a s e r (eg a c l e a v e d f a c e tr e ? e c t i o n , d i s t r i b u t e d f e e d b a c k , a n d / o r v e r t i c a l c a v i t y s u rf a c e e m i t t i n g ) .

The p r e s e n t i n v e n t i o n a l s o p r o v i d e s d e v i c e s s e l e c t e d f r o mt h e g r o u p c o n s i s t i n g o f l i g h t e m i t t i n g d e v i c e s , l i g h t e m i t t i n gd i o d e s , l a s e r d i o d e s , c l e a v e d f a c e t r e ? e c t i o n l a s e r s , d i s t r i bu t e d f e e d b a c k l a s e r s , v e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i t t i n g l a s e r s ,o p t i c a l d e t e c t o r s , o p t i c a l m o d u l a t o r s , n o n - l i n e a r o p t i c a ld e v i c e s , e l e c t r i c a l c o n d u c t o r s , p l a n a r t r a n s f o r m e r s , d i o d e s ,b i p o l a r t r a n s i s t o r s , ? e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r s , i n t e g r a t e dc i r c u i t s , S Q U I D s , J o s e p h s o n j u n c t i o n s , t r a n s d u c e r s , a n dmicroWave d e t e c t o r s , t h a t a r e improved o v e r c o n v e n t i o n a ld e v i c e s b e c a u s e t h e y i n c o r p o r a t e a phonon r e s o n a t o r t h a t i ss u b s t a n t i a l l y r e s o n a n t f o r p h o n o n s o f a p p r o p r i a t e Wavevect o r t o p a r t i c i p a t e i n p h o n o n - e l e c t r o n i n t e r a c t i o n s .

The p r e s e n t i n v e n t i o n a l s o p r o v i d e s a method f o r p r o d u ci n g a phonon r e s o n a t o r c o m p r i s i n g t h e s t e p o f p r o d u c i n g as t r u c t u r e o f s u b s t a n t i a l l y p e r i o d i c a l l y v a r y i n g d e n s i t y comp r i s i n g a t l e a s t o n e ? r s t r e g i o n o r l a y e r o f a ? r s t d e n s i t y ; a n da t l e a s t one r e g i o n o r second l a y e r o f a second d e n s i t y , t h e? r s t a n d s e c o n d r e g i o n s o r l a y e r s b e i n g a d j a c e n t o n e a n o t h e rand a l t e r n a t i n g i n t h e s t r u c t u re s o t h a t t h e s t r u c t u r e has as u b s t a n t i a l l y p e r i o d i c a l l y v a r y i n g d e n s i t y , t h e p e r i o d o f t h es t r u c t u r e b e i n g s e l e c t e d s u c h t h a t t h e s t r u c t u r e i s s u b s t a nt i a l l y r e s o n a n t f o r p h o n o n s o f a p p r o p r i a t e W a v e v e c t o r t op a r t i c i p a t e i n e l e c t r o n - p h o n o n i n t e r a c t i o n s . I n p r e f e r r e de m b o d i m e n t s , t h e method o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i n v o l v e sp r o d u c i n g a n i s o t o p e s u p e r l a t t i c e b y s e p a r a t i n g i s o t o p e s ; a n da s s e m b l i n g t h e s u p e r l a t t i c e . A c c o r d i n g t o t h e p r e s e n ti n v e n t i o n , i s o t o p e s e p a r a t i o n i s p r e f e r a b l y p e r f o r m e d b y amethod s e l e c t e d f r o m t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f d i s t i l l a t i o n ,e x t r a c t i o n , c e n t r i f u g a t i o n , d i f f u s i o n , e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d s , a n d e l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d s ; a s s e m b l y o f a n

10

1 5

25

35

45

55

6 5

4i s o t o p e s u p e r l a t t i c e i s p r e f e r a b l y p e r f o r m e d b y a m e t h o ds e l e c t e d f r o m t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f : c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n , m o l e c u l a r beam e p i t a x y , a n d c h e m i c a l beame p i t a x y . I n some e m b o d i m e n t s , t h e s t e p s o f s e p a r a t i n g a n da s s e m b l i n g a r e performed s e p a r a t e l y . I n a l t e r n a t ee m b o d i m e n t s , t h e s t e p s o f s e p a r a t i n g a n d a s s e m b l i n g a r ep e r f o r m e d s i m u l t a n e o u s l y . I n p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s , a ni s o t o p e s u p e r l a t t i c e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s p r o d u c e du s i n g l a s e r - a s s i s t e d c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n .

DESCRIPTION OF THE PREFERREDEMBODIMENTSD r a W i n g s

FIG. 1 i s a s c h e m a t i c diagram o f t h e e n e r g y bands i n as o l i d .FIG. 2 i s an energy v s . momentum diagram f o r a d i r e c tb a n d g a p m a t e r i a l .FIG. 3 s an energy s . momentum iagram f o r an i n d i r e c tb a n d g a p m a t e r i a l .F I G . 4 i l l u s t r a t e s t h e t h r e e p o s s i b l e p h o t o n - e l e c t r o n i n t e r

a c t i o n s . S p e c i ? c a l l y , F I G . 4A l l u s t r a t e s a b s o r p t i o n o f aphoton by a n e l e c t r o n t h a t c a n occupy one o f o n l y tWoe n e r g y s t a t e s ; F I G . 4 B i l l u s t r a t e s s p o n t a n e o u s e m i s s i o n o f aphoton by a n e l e c t r o n t h a t c a n occupy one o f o n l y tWoe n e r g y s t a t e s ; and F I G . 4 C l l u s t r a t e s s t i m u l a t e d e m i s s i o n o fa photon by a n e l e c t r o n t h a t can occupy one o f o n l y tWoenergy s t a t e s .

F I G . 5 i s a s c h e m a t i c diagram o f atoms a r r a n g e d i n ac r y s t a l l i n e s o l i d .F I G . 6 d e p i c t s p h o n o n - a s s i s t e d r a d i a t i v e t r a n s i t i o n s i n a ni n d i r e c t b a n d g a p m a t e r i a l . F I G . 6 A l l u s t r a t e s s p o n t a n e o u s

emission of a phonon a s a r e s u l t of an electron-phononi n t e r a c t i o n t h a t s t i m u l a t e s p h o t o n e m i s s i o n ; F I G . 6B i l l u st r a t e s s t i m u l a t e d p h o n o n a b s o r p t i o n ; a n d F I G . 6C l l u s t r a t e ss t i m u l a t e d p h o n o n e m i s s i o n .FIG. 7 i s a s c h e m a t i c d e s i g n o f a d i s t r i b u t e d feedbackl a s e r .

FIG. 8 i s an energy v s . momentum diagram f o r s i l i c o n .FIG. 9 shoWs a s c h e m a t i c diagram o f a p o r t i o n o f a s i l i c o ni s o t o p e s u p e r l a t t i c e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .F I G . 10 i l l u s t r a t e s a l i g h t e m i t t i n g d e v i c e t h a t u t i l i Z e s a

phonon r e s o n a t o r o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .F I G . 1 1 p r e s e n t s f o u r e m b o d i m e n t s ( a s F I G S . 1 1 A , 1 1 B ,

1 1 C , a n d 1 1 D ) o f a l i g h t - e m i t t i n g d e v i c e o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n .

F I G . 1 2 d e p i c t s a l i g h t - e m i t t i n g d i o d e (LED) o f t h ep r e s e n t i n v e n t i o n .

F I G . 1 3 d e p i c t s a n LED f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i n Whichc a r r i e r con?nement i s a c h i e v e d by means o f a h e t e r o j u n ct i o n .

F I G . 1 4 d e p i c t s a n d e d g e - e m i t t i n g LE D o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n .

F I G . 1 5 p r e s e n t s tWo embodiments ( a s F I G S . 15A a n d15B) o f a l a s e r d i o d e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . F I G . 15Ad e p i c t s a c l e a v e d f a c e t r e ? e c t i o n l a s e r . F I G . 15B d e p i c t s ad i s t r i b u t e d f e e d b a c k l a s e r .

F I G . 1 6 d e p i c t s a V e r t i c a l C a v i t y S u r f a c e E m i t t i n g L a s e r(VECSEL) o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .

FIGS. 17 and 1 8 d e p i c t a l t e r n a t e embodiments o f a no p t i c a l p h o t o d e t e c t o r i n c o r p o r a t i n g a p h o n o n r e s o n a t o r o ft h e p r e s e n t i n v e n t i o n .

F I G . 1 9 d e p i c t s a b s o r p t i o n a n d e m i s s i o n o f a p h o n o n b ya conduction-band e l e c t r o n i n a semiconductor m a t e r i a l .

F I G . 20 d e p i c t s c o h e r e n t a b s o r p t i o n a n d e m i s s i o n o f aphonon by a c o n d u c t i o n - b a n d e l e c t r o n i n a s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l .

F I G . 2 1 i l l u s t r a t e s p h o n o n - m e d i a t e d e x c h a n g e b e t W e e ntWo conduction-band e l e c t r o n s i n a semiconductor s o l i d .


20/31

5 , 9 1 7 , 1 9 55

F I G . 2 2 i l l u s t r a t e s p h o n o n - m e d i a t e d e x c h a n g e b e t w e e ne l e c t r o n s i n d i f f e r e n t , d e g e n e r a t e c o n d u c t i o n b a n d minima na s i n g l e conduction band o f a semiconductor m a t e r i a l .

F I G . 23 p r e s e n t s a g r a p h o f t h e n o r m a l i Z e d e l e c t r o n p a i rp o t e n t i a l a s a f u n c t i o n o f t h e p a i r s e p a r a t i o n , measured i ns u p e r l a t t i c e p e r i o d s . F o r t h e c a l c u l a t i o n p r e s e n t e d , t h e meanf r e e p a t h i s 5 s u p e r l a t t i c e p e r i o d s .

F I G . 2 4 i s a g r a p h s h o W i n g t h e r e d u c t i o n i n e l e c t r o n p a i rb i n d i n g e n e r g y t h a t o c c u r s W i t h d e c r e a s i n g e l e c t r o n meanf r e e p a t h .

F I G . 25 shoWs t h e e l e c t r o n p a i r b i n d i n g e n e r g y a s af u n c t i o n o f t h e s c a t t e r i n g p o t e n t i a l f o r a ?xed mean f r e ep a t h .

F I G . 2 6 d e p i c t s i n t e r v a l l e y s c a t t e r i n g o f e l e c t r o n s i nc o n d u c t i o n band minima o f n e i g h b o r i n g B r i l l o u i n Z o n e s .

F I G . 27 shoWs a l o W - r e s i s t a n c e e l e c t r i c a l c o n d u c t o r o f t h ep r e s e n t i n v e n t i o n .

F I G . 28 d e p i c t s a n e l e c t r i c a l d i o d e o f t h e p r e s e n t i n v e nt i o n .F I G . 29 d e p i c t s a b i p o l a r t r a n s i s t o r o f t h e p r e s e n t i n v e nt i o n .F I G . 3 0 d e p i c t s a n n - t y p e J u n c t i o n F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r

( J F E T ) o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .F I G . 31 d e p i c t s a Metal Oxide Semiconductor F i e l d E f f e c t

T r a n s i s t o r (MOSFET) o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .F I G . 3 2 d e p i c t s a n i n t e g r a t e d c i r c u i t o f t h e p r e s e n t i n v e nt i o n .F I G . 33 d e p i c t s a l a s e r - a s s i s t e d c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n

method a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .Phonon R e s o n a t o r

The p r e s e n t i n v e n t i o n i s d i r e c t e d t o a phonon r e s o n a t o r . I np a r t i c u l a r , t h e i n v e n t i o n p r o v i d e s a phonon r e s o n a t o r o f a ni n d i r e c t b a n d g a p m a t e r i a l , W h i c h p h o n o n r e s o n a t o r i sd e s i g n e d s o t h a t c e r t a i n e l e c t r o n i c , o p t i c a l , a n d / o r h e a tt r a n s f e r p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l a r e e n h a n c e d .A honon c a n b e t h o u g h t o f a s t h e minimum u n i t o f

v i b r a t i o n a l e n e r g y a l l o W e d i n a c c o r d a n c e W i t h p r i n c i p l e s o fquantum m e c h a n i c s . A honon r e s o n a t o r i s a s t r u c t u r e t h a tf u n c t i o n s a s a r e s o n a t o r f o r t h o s e v i b r a t i o n a l e x c i t a t i o n s t h a tb e h a v e a s quantum m e c h a n i c a l v i b r a t i o n a l W a v e p a c k e t s . Bya n a l o g y W i t h o p t i c a l r e s o n a t o r s , a v i b r a t i o n a l r e s o n a t o rr e q u i r e s c o h e r e n t c o n ? n e m e n t , o r f e e d b a c k , o f v i b r a t i o n a le n e r g y .

I t i s p o s s i b l e t o c o n s t r u c t a n e l e c t r o m a g n e t i c r e s o n a t o r( t h a t i s , a s t r u c t u r e t h a t i s r e s o n a n t f o r e l e c t r o m a g n e t i cW a v e s ) b y p r o d u c i n g a s t r u c t u r e h a v i n g a p e r i o d i c v a r i a t i o ni n t h e m a t e r i a l i m p e d a n c e . S i m i l a r l y , a v i b r a t i o n a l r e s o n a t o rc a n b e p r o d u c e d by c r e a t i n g a s t r u c t u r e h a v i n g a p e r i o d i cv a r i a t i o n i n m a t e r i a l d e n s i t y , s i n c e m a t e r i a l d e n s i t y d e t e rmines t h e impedance o f a v i b r a t i o n a l Wave.

One a s p e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i n v o l v e s t h e r e c o gn i t i o n t h a t a v i b r a t i o n a l r e s o n a t o r can be c o n s t r u c t e d t o b er e s o n a n t W i t h c e r t a i n p h o n o n - e l e c t r o n i n t e r a c t i o n s , s o t h a tt h e r e s o n a t o r p r o v i d e s a r e s o n a n t enhancement o f t h ep h o n o n s n e c e s s a r y f o r t h o s e i n t e r a c t i o n s . A l t h o u g h p h o n o nr e s o n a t o r s h a v e p r e v i o u s l y b e e n d e s c r i b e d p r e v i o u s l y ( s e e ,f o r e x a m p l e , K l e i n IEEE J . o f Q u a n t . E l e c . Q E - 2 2 :1 7 6 0 1 7 7 9 , 1 9 8 6 ) , t h e p re s e n t i n v e n t i o n d e s c r i b e s f o r t h e? r s t t i m e a phonon r e s o n a t o r t h a t p r o v i d e s r e s o n a n te n h a n c e m e n t o f p h o n o n - e l e c t r o n i n t e r a c t i o n s , W i t h r e s u l t i n gi m p r o v e m e n t i n o p t i c a l , e l e c t r o n i c , a n d / o r h e a t t r a n s f e rp r o p e r t i e s i n t h e m a t e r i a l f r o m Which t h e r e s o n a t o r i sc o n s t r u c t e d . A d d i t i o n a l l y , t h e p r e s e n t i n v e n t i o n p r o v i d e s t h e? r s t e x a m p l e o f a phonon r e s o n a t o r h a v i n g a c o u p l i n g l e n g t ht h a t i s s h o r t e r t h a n t h e phonon mean f r e e p a t h .

B e l o W , W e d i s c u s s t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h ephonon r e s o n a t o r o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , a n d t h e Ways i n

10

1 5

25

35

45

55

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6W h i c h t h e p h o n o n r e s o n a t o r a f f e c t s t h e o p t i c a l , e l e c t r o n i c ,a n d / o r h e a t t r a n s f e r p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l f r o m W h i c ht h e r e s o n a t o r i s c o n s t r u c t e d .E n h a n c e m e n t o f O p t i c a l P r o p e r t i e s

The p r e s e n t i n v e n t i o n e n c o m p a s s e s i n d i r e c t b a n d g a pm a t e r i a l s h a v i n g e n h a n c e d o p t i c a l p r o p e r t i e s . I n o r d e r t h a tc e r t a i n a s p e c t s a n d a d v a n t a g e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n W i l lb e more r e a d i l y a p p r e c i a t e d , W e b e g i n W i t h a d i s c u s s i o n o ft h e p r o p e r t i e s o f i n d i r e c t b a n d g a p s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s ,a s o p p o s e d t o d i r e c t bandgap m a t e r i a l s .F i r s t o f a l l , W e p o i n t o u t t h a t , i n a n y s e m i c o n d u c t o r s o l i d( i . e . W h e t h e r a d i r e c t o r i n d i r e c t b a n d g a p m a t e r i a l ) t h a t i sf r e e o f d e f e c t s a n d i m p u r i t i e s , e l e c t r o n s c a n a c q u i r e o n l yp a r t i c u l a r e n e r g y v a l u e s t h a t a r e W i t h i n tWo d i s c r e t e b a n d s :a v a l e n c e b a n d , Which encompasses t h e r a n g e o f e n e r g i e sp o s s e s s e d by e l e c t r o n s i n bound e n e r g y s t a t e s ; a n d a c o nd u c t i o n b a n d , W h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e a l l o W a b l e e n e r g ys t a t e s of f r e e e l e c t r o n s o r e l e c t r o n s t h a t a r e unbound andmove a b o u t t h e c r y s t a l l a t t i c e o f t h e s o l i d . F I G . 1 p r e s e n t s aschematic r e p r e s e n t a t i o n o f a valence band 10 and a cond u c t i o n b a n d 2 0 , s e p a r a t e d b y a n e n e r g y b a n d g a p 3 0 t h a tc o r r e s p o n d s t o t h e r a n g e o f i m p e r m i s s i b l e e n e r g i e s b e t W e e nt h e v a l e n c e 10 a n d c o n d u c t i o n 20 b a n d s .

F o r a n y g i v e n s e m i c o n d u c t o r s o l i d , m o s t o f t h e e n e r g ys t a t e s W i t h i n t h e v a l e n c e band a r e o c c u p i e d by e l e c t r o n s ,W h i l e most o f t h e e n e r g y s t a t e s W i t h i n t h e c o n d u c t i o n banda r e u n o c c u p i e d . I f , h o W e v e r , a n e l e c t r o n i n t h e v a l e n c e bandc a n a c q u i r e e n e r g y i n e x c e s s o f t h e e n e r g y o f t h e b a n d g a p ,t h a t valence band e l e c t r o n can occupy an energy s t a t e W i t h i nt h e c o n d u c t i o n b a n d . When uch a v a l e n c e band e l e c t r o n i se x c i t e d i n t o t h e c o n d u c t i o n b a n d , t h a t e l e c t r o n l e a v e s b e h i n da vacant energy s t a t e i n t h e valence b a n d . The vacant energys t a t e i s termed a h o l e , and may be c o n s i d e r e d a s a p a r t i c l eh a v i n g a p o s i t i v e c h a r g e e q u a l i n m a g n i t u d e t o t h e e l e c t r o n .E l e c t r o n s i n t h e c o n d u c t i o n band t y p i c a l l y occupy s t a t e sn e a r t h e c o n d u c t i o n band minimum. Holes a r e g e n e r a l l yp r e s e n t a t t h e v a l e n c e band maximum. Under c e r t a i nc i r c u m s t a n c e s , t h e s e e l e c t r o n s a n d h o l e s c a n r e c o m b i n e ,r e s u l t i n g i n t h e e m i s s i o n o f a p h o t o n , o t h e r W i s e knoWn a s a r a d i a t i v e t r a n s i t i o n . To o b t a i n a r a d i a t i v e t r a n s i t i o n , b o t henergy a nd mom ntum must be c o n s e r v e d .

R a d i a t i v e t r a n s i t i o n s a r e a l l o W e d i n d i r e c t bandgap ma ter i a l s . I n f a c t , t h e t e r m d i r e c t bandgap r e f e r s t o t h e f a c t t h a tt h e c o n d u c t i o n band minimum a n d v a l e n c e band maximuma r e a l i g n e d i n t h e s e m a t e r i a l s a l o n g t h e same momentumv a l u e . T h i s f a c t i s i l l u s t r a t e d i n F I G . 2 , Which p r e s e n t s ag r a p h o f t h e e n e r g y v e r s u s momentum k ) r e l a t i o n s h i p o fa n e l e c t r o n i n a d i r e c t bandgap s o l i d . The r e g i o n 3 7 o f t h eg r a p h i n F I G . 2 b e t W e e n c u r v e s E C a n d E v d e s i g n a t e si m p e r m i s s i b l e e n e r g y a n d momentum a l u e s f o r e l e c t r o n s i nt h e s o l i d . C u r v e E C ( t h e c o n d u c t i o n b a n d e d g e ) d e s i g n a t e sp e r m i s s i b l e e n e r g y a n d momentum v a l u e s f o r e l e c t r o n s i nt h e c o n d u c t i o n b a n d , a n d c u r v e E v ( t h e v a l e n c e b a n d e d g e )d e s i g n a t e s p e r mi s s i b l e e n e r g y a n d momentum v a l u e s f o re l e c t r o n s i n t h e v a l e n c e b a n d . The e n e r g y d i f f e r e n c ebetWeen t h e c o n d u c t i o n band minimum 22 o f c u r v e E C a n dv a l e n c e band maximum 1 2 o f c u r v e Ev i s t h e e n e r g yb a n d g a p 3 1 .The a l i g n m e n t o f c o n d u c t i o n band minimum a n d v a l e n c eband maximum n d i r e c t b a n d g a p m a t e r i a l s a l l o W s r a d i a t i v et r a n s i t i o n s because an e l e c t r o n 4 0 has t h e same momentumv a l u e b o t h b e f o r e ( i . e . i n t h e c o n d u c t i o n b a n d ) a n d a f t e r ( i . e .i n t h e v a l e n c e b a n d ) t h e t r a n s i t i o n ( i . e . b e f o r e a n d a f t e rr e c o m b i n a t i o n W i t h h o l e 5 0 ) . T h u s , t h e c o n s e r v a t i o n o fmomentum r e q u i r e m e n t f o r r a d i a t i v e t r a n s i t i o n s i s s a t i s ? e d .S i m i l a r l y , t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n r e q u i r e m e n t i s s a t i s ? e db e c a u s e a photon 60 i s e m i t t e d t h a t h a s a n e n e r g y e q u a l t o


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