Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
296
6
JIAZZL.
t / ч
г / 1 чч
-0,5 О 0,5 1,0 1,5
41-
.VV.S
.•I»» ' Лл*?’....
681 681,5 662 662,51,н*
Рис. 94. Рассчитанный спектр люминесценции бозе-конденсированного состояния экситонных молекул при 0°К (сплошная кривая) н спектр люминесценции тех же молекул в неконденсированном состоянии для 8,2 °К (пунктирная кривая) (а) и спектр люминесценции CdSe при 1,8 °К и возбжуде-нии пикосекундными импульсами света [565] (б)
раньше, чем достигается температура вырождения. (Исключение— гелий). Бозе-эйнштейновская конденсация должна сопровождаться скачкообразным изменением термодинамических, акустических, электрических и оптических характеристик газа.
Экситоны и экситонные молекулы обладают целочисленным спином и относятся к Бозе-частицам. Ряд физических явлений, связанных с их бозе-эйнштейновской конденсацией, рассмотрен С. А. Москаленко и другими авторами [560—562].
В состоянии бозе-эйнштейновской конденсации экситонный или биэкситонный газ должен испускать узкую линию излучения, так как отсутствует ее уширение, связанное с поступательным движением частиц [563]. Эта линия должна наблюдаться на длинноволновом крыле более широкой полосы излучения, относящейся к несконденсировакным частицам (рис. 94). Долгое время на опыте не удавалось получить бозе-эйнштейновскую конденсацию экситонов. По-видимому, это было связано с трудностями охлаждения экситонов до нужных температур при высоких уровнях возбуждения. В результате неупругих соударений двух экситонов, один из них аннигилирует, а-второй получает дополнительную кинетическую энергию. Поэтому температура экситонного газа, как правило, выше температуры кристаллической решетки.
Благоприятные условия для охлаждения экситонов имеются при возбуждении полупроводника пикосекундными импульсами света. В таких условиях сразу создается высокая концентрация экситонов, а их разогрев за счет превращения части энергии падающего света в тепло минимален.
297
ВЪзбуждая CdSe пикосекундными импульсами излучения неодимового лазера при Г,8 °К, авторы [564, 565] наряду с широкой полосой излучения экситонных молекул обнаружили необычайно узкую линию люминесценции. Положение в спектре и ширина этой линии (рис. 94) дали основание интерпретировать ее как излучение экситонных молекул в состоянии бозе-эйнштейновской конденсации. Необходимо, однако, иметь в виду, что узкая линия излучения может возникнуть также и в результате стимулированного испускания экситонных молекул. Оно было обнаружено, в частности, в монокристаллах CdS [566].
Многообразие форм коллективного взаимодействия носителей. Не все экспериментальные результаты, полученные при изучении коллективных свойств экситонов в полупроводниках, нашли однозначное объяснение. Часть из них интерпретируется либо с помощью модели биэкситонов, либо на основании представления об электронно-дырочных каплях. Внешне может показаться, что участники дискуссии занимают непримиримые позиции [521, 538, 542, 567]. Однако более глубокий анализ литературы показывает, что сама логика фактов все более сближает позиции различных авторов. Уже сейчас можно говорить о ряде бесспорных положений. По-видимому, в ближайшие годы дискуссия по этому вопросу исчезнет вовсе.
Во-первых, без представления об электронно-дырочных каплях нельзя объяснить всей совокупности экспериментальных результатов по коллективным взаимодействиям экситонов. Это признают и сторонники биэкситонов. Все новые и новые опыты показывают, что такие капли действительно образуются в полупроводниках при низких температурах и высоких уровнях возбуждения. Если сам факт существования электронно-дырочных капель неопровержимо доказан и общепризнан, то вопрос о механизме их образования, несмотря на всю его важность и научную значимость, представляется более частным, второстепенным.
Во-вторых, нет оснований утверждать, что во всех полупроводниках и во всех условиях опыта механизм образования капель один и тот же. По-видимому, их несколько и в дальнейшем усилия исследователей будут сосредоточены на выяснении преобладающего механизма для каждого конкретного случая. По отношению к кремнию и германию предполагается, что капли образуются либо из экситонов, либо из биэкситонов. Какая бы точка зрения ни была правильной, она не подходит для объяснения процесса образования капель в арсениде галлия, помещенном в электрическое поле. При полях в 4 в/см свободные и связанные экситоны существовать не могут. Тем не менее электронно-дырочные капли образуются [389].
298
Очевидно, исходным материалом для них могут служить только свободные электроны и дырки.
В-третьих, для таких кристаллов, как CuCl, ZnO, CdS, CdSe, возможность существования экситонных молекул доказана теоретически и экспериментально. Имеются данные, указывающие на наличие биэкситонов в кремнии и германии.
Из всего вышесказанного следует, что коллективные взаимодействия носителей в полупроводниках разнообразны и недостаточно изучены. Поэтому на данном этапе изучения этой проблемы более конструктивной и плодотворной представляется точка зрения, допускающая существование как электронно-дырочных капель, так и экситонных молекул.
