Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 172
Скачиваний: 3
128 |
Глава |
6. |
Излучательные переходы |
в /г3 раз |
меньше, чем |
энергия ионизации основного состояния |
|
Е х1, соответствующего п = |
1. Следовательно, излучение свободно |
||
го экситоиа могло бы состоять из серии узких линий, начинающих
ся |
при Eg — ЕХ1 II |
продолжающихся |
при |
энергиях |
Eg — (1/п2)Ехг Однако |
интенсивность пиков |
более |
высокого |
|
порядка быстро уменьшается [6] (а именно как /г-3), и в присутствии основного перехода трудно наблюдать другие излучательные пере ходы. В GaAs обнаружены свободные экситоны с п = 1 и п = 2 [7].
В полупроводнике с непрямой запрещенной зоной сохранение импульса требует, чтобы переход был дополнен испусканием фоно на (фиг. 6.4, б). Тогда энергия излученного фотона равна
hv = Eg —Ex— Ep,
где Еѵ — энергия участвующего в переходе фонона.
Отметим, что прямые переходы также могут происходить с испу сканием одного или более фононов (фиг. 6.5), но при этом вероят ность перехода уменьшается. Действительно, рассмотрение
Ф я г. 6.5. Прямая эксіітонная рекомбинация.
а — с испусканием одного оптического фонона; б — с испусканием двух оптических фононов.
конфигурационной диаграммы показывает, что даже прямые пере ходы могут, вообще говоря, приводить к испусканию фононов, причем наиболее вероятен оптический фонон (оптические фононы возможны и при к = 0). Таким образом, узкий спектр излучения экситоиа может повториться при несколько меньших энергиях фотонов, таких, что
hv — Е„— Ех— тЕр,
где т — число оптических фононов, излученных при переходе. Очевидно, что чем больше т, тем ниже вероятность перехода и сла бее соответствующая линия излучения.
Следует заметить, что, хотя переходы с испусканием фонона менее вероятны, чем прямая рекомбинация, образовавшийся при этом фотон имеет больший шанс выйти из кристалла, так как он
§ 4. Фундаментальные переходы |
129 |
обладает меньшей энергией, чем фотон от прямой |
рекомбинации, |
и находится в области спектра, где полупроводник более прозрачен. Однако реабсорбция экситонного излучения не обязательно озна чает потерю энергии, поскольку в этом процессе создается новый экситон, чем обеспечивается новая возможность для излучения.
б. Миграция экснтопов н рекомбинация поляритонов
Так как свободные экситоны могут перемещаться в кристалле, то возможно создание их в одной и регистрация в другой области полупроводника [8]. Экситоны могут иметь короткое время жизни (ІО-8 с в CclS), в конце которого они становятся фотонами. Но эти фотоны, пройдя короткое расстояние внутри кристалла, могут генерировать другие экситоны. Такое резонансное взаимодействие способно переносить энергию на значительное расстояние. Мигра ция экситона может быть обнаружена по свету, излученному на удаленном расстоянии, в том месте, где экситон рекомбинировал, или по фотопроводимости, созданной сильным локальным полем, разбивающим экситон иа несвязанные носители. Получены данные, свидетельствующие как будто в пользу существования таких эффектов, но они вызвали много возражений, так как трудно отде лить экситонную миграцию от внутреннего рассеяния света, когда энергия фотона меньше, чем ширина запрещенной зоны.
Возможность перевозбуждения посредством резонансных рекомбинационно-генерационных процессов могла бы вызывать небольшое увеличение в наблюдаемом времени жизни экситона.
В CclS после возбуждения лампой-вспышкой наблюдалось экситониое излучение с временами спада порядка 9 мкс (см. [9]). Это на несколько порядков больше, чем ожидаемая для этого про цесса величина 10~8 с. Для объяснения такого медленного спада люминесценции могут быть привлечены и эффекты захвата.
В п. 3 § 4 гл. 1 мы видели, что поляритоны представляют собой взаимодействие между экситопами и фотонами, описываемое дисперсионной кривой на фиг. 1.16. При генерации свободных экситонов поляритоны могут, излучая акустические фононы, термализоваться по параболической части дисперсионной кривой по направлению к точке излома на этой кривой. Они могут также испустить оптические фононы; в этом случае экситон трансформи руется в фотон (ниже излома на кривой) и может либо распростра ниться внутрь кристалла, либо излучиться вовне. Итак, люминес ценция возникает при рассеянии поляритона на оптическом фоно не. Люминесценция может также возникнуть,, когда полярнтон сталкивается с поверхностью [10].
Фиг. 6.6 показывает разницу между спектрами излучения при рекомбинации свободного экситона и поляритониой рекомбина ции. Экситонный спектр резко обрывается при низких энергиях,
9—01085
130 |
Глава 6. Излучательные переходы |
соответствующих неподвижному экситону с к = 0, и если ре комбинационный процесс происходит с участием АО-фонона, то и спектр АО-повторения также круто обрывается на иизкоэнергетической сто роне. С другой стороны, спектр излучения поляритона обнаруживает низкоэнергетический хвост, про должающийся ниже экси-
Ф п г. 6.6. |
Сравнение |
экспе |
|||
риментальных |
данных по |
из |
|||
лучению CdS |
при 12 К |
с |
ре |
||
зультатами, |
|
предсказанными |
|||
на |
основании |
полярптонной |
|||
(сплошная |
кривая) и эксптоп- |
||||
ной |
(пунктирная кривая) |
мо |
|||
|
делей [И]. |
|
|
||
Согласие между эксперименталь ными данными п теоретическими кривыми улучшилось бы, если бы был вычтен вклад от соседних пиков излучения, не показанных на фи
гуре.
тонного края н соответствующий всем состояниям ниже излома на кривой фиг. 1.16 при энергиях порядка энергии одного АО-фоиона.
в.Связанный экептон
Вприсутствии примесей могут образовываться связанные экситоиы. Когда они рекомбинируют, излучение состоит из узких линий с энергиями, меньшими, чем при рекомбинации свободного экситона. В GaAs для экситонов, связанных на мелких примесях, ширина линии составляет около 0,1 мэВ [7]. Часто одновременно
водном и том же веществе существуют как свободные, так и свя занные экситоны; их можно различить по энергии и ширине линии
(например, при 1,4 К в высококачественном GaAs ширина линии Д/іѵ = 0,1 мэВ для связанного экситона против 1 мэВ для свобод ного экситона).
Фиг. 6.7—6.11 демонстрируют характеристики экситонного из лучения. Фиг. 6.7 представляет спектр излучения достаточно чисто го ІпР [12]. Полагают, что пик излучения, обозначенный цифрой 1, обусловлен рекомбинацией свободного экситона, в то время как линии 2, 3, 4 и 5 относятся к рекомбинации связанного экситона, с испусканием соответственно 0, 1, 2 и 3 фононов. Расстояние меж
§ 4. Фундаментальные переходы |
131 |
ду линиями 2, 3, 4, 5 составляет 43 мэВ, что соответствует извест ному значению энергии LÜ-фонона. Полосы I жII обусловлены другими процессами, неэкситонного характера.
Фиг. 6.8 характеризует излучательную рекомбинацию связан ного экситона в CdS. Пик І г — бесфоиоиное излучение. Более
Ф и г. 6.7. Зависимость фотолюминесценции ІпР при 6 К от энергии фото нов [12].
низкоэнергетические пики связаны с испусканием различных фононов в соответствии с обозначениями.
На фиг. 6.9 представлен спектр излучения высококачественного GaAs при низком уровне возбуждения, обеспечивающем мини мальное взаимодействие носителей. Пики свободного экситона идентифицированы как соответствующие п = 1 и п = 2; экситон, связанный на мелком уровне Se, имеет соответствующий индекс.
В GaAs обнаружены экситоны, связанные на примеси кислоро да [13]. Они дают три эквидистантных пика излучения, соответ ствующих испусканию 0, 1 и 2 фононов. Идентификация этих пиков основывается на том факте, что их интенсивность линейно меняется с концентрацией кислорода.
9*
100
Энергия фотонов, эВ
Ф и г . 6.8. Флюоресценция CdS, связанная с состоянием I it при 1,6 К [151-
При 4,2 К картина очень похожая. Сильная линия при высоких энергиях— Сссфононная линия, другие линии также соответствуют состоянию 7,, но с испусканием различ ных фононов. Символ LO означает продольные оптический фонон при h = 0, энергия которого хорошо известна (0,038 эВ). Менее достоверна идентификация поперечного акѵстнческого и поперечного оптического фононов с энергиями при к = 0 соответственно
0,021 I I 0,034 эВ.
Энергия фотонов, эВ
Фи г. 6.9. Фотолюминесценция «чистого» GaAs, обусловленная свободным экситоном, экситоном, связанным с Se, и рекомбинацией свободных носи
телей при 2,12 К (разрешение 0,09 мэВ) [7].
Интенсивность: число фотонов на единичный интервал энергии ва 1 с.
§ 4. Фундаментальные переходы |
133 |
Фиг. 6.10 показывает спектр излучения GaP, обусловленный рекомбинацией трех различных связанных экситонов. Идентифи цировано несколько перекрывающихся линий той же природы, что и линия А, но с испусканием одного или двух фоиоиов; типы
Ф и г. 6.10. Фотолюминесценция (а) п поглощение (б) при переходах А, В и С, обусловленных связанными экситонамп в GaP [13].
LO, ТО, X — фононные повторения линии А.
различных фононов, принимающих участие в рекомбинации, ука заны на спектре. Такая сложная идентификация оказалась воз можной только после сравнения со спектрами излучения других образцов, различавшихся легированием. Идентификация также требовала знания энергий соответствующих фононов в GaP.
Исследование зеемановского расщепления спектра более опреде ленно установило участие в излучении экситонных состояний [14].
Изучение зависимости интенсивности экситонной линии А в GaP от температуры указывает на исчезновение экситонов вслед ствие термической ионизации [16]. Аналогичное исследование зависимости от приложенного электрического поля при 4,2 К обнаруживает развал экситоиа за счет ионизации, вызванной полем [16]. Так как при увеличении температуры или поля проис ходит уменьшение концентрации связанных экситонов, уменьшается и интенсивность линии А и ее фононных повторений. Из темпера турной зависимости иитеисивиости излучения, которая описывает ся следующим соотношением:
Ь(Т) ____________ 1__________
L{0) |
i + c 7 3/2GXp ( - Е і / к Т ) ’ |
