Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
408
Рис. 136. Графики /са (со) (сплошные кривые) и кп (штриховые) при различных степенях просветления пассивной области для 7’=80°К, ра + рп—+ 11
+ rr In—=52 см~', /а =0,5 см, /п—0,2. На кривых указаны значения
*‘а rir2
Рпе—Есй в мэв. Точки касания кривых определяют энергию генерируемого
кванта света
Как показано в § 14, в чистом арсениде галлия просветление края полосы поглощения начинается (Т=77°К) при плотностях потока порядка 1 квт/см2 или плотности лучистой энергии ~ 1 эрг/см3. Так как плотность потока накачки на три-четыре порядка больше этой величины, то просветление тонких полупроводниковых пластин спонтанной и вынужденной фотолюминесценцией представляется весьма вероятным.
На рис. 136 приведены графики правой и левой частей (25.16), построенные для различной степени просветления пассивной области. При расчете кривых использовались формулы (25.17), (25.18) и решение уравнения электронейтральности для чистого арсенида галлия [430]. Чем больше просветлена пассивная область, тем меньше /Cnac(w) и /ca(w)> а точка касания кривых перемещается в сторону меньших частот. Эта закономерность справедлива в большей или меньшей степени при вариации параметров U, In, р в широких пределах *>.
Введение примеси в полупроводник создает новые каналы рекомбинации электронов и дырок, существенно не изменяя коэффициента поглощения при межзонных переходах. Поэтому для просветления сильно легированного полупроводника требуются плотности потока на несколько порядков больше, чем для просветления чистого материала (см. § 14). Это подтверждается на опыте [499]. Возможно, поэтому высокая
*> Прн возбуждении пластины инжекционным лазером пассивные области будут образовываться вследствие неоднородной генерации возбуждающего лазера (см. рис. 110).
409-
прозрачность обнаружена в пластинках из слабо примесного полупроводника [771].
К дополнительным доводам в пользу просветления пассивных областей пластинчатых лазеров относятся следующие. Во-первых, на опыте обнаружено [777] просветление пластины в частоте возбуждающего света fto>i = 1,527 эв при Eg = = 1,513 эв (Т=77°К)- Уменьшение ширины запрещенной зоны, наоборот, приводит к увеличению коэффициента поглощения. При AEl = 90 мэв [772] коэффициент поглощения в GaAs (без учета заполнения зон) на частоте /koi = 1,527 эв должен стать равным 6,4-103 см~х. Во-вторых, в оптически связанных инжекционных лазерах пассивные области просветляются как под действием стимулйроваиного излучения, так и под действием спонтанного излучения [778].
Таким образом, при рассмотрении механизма генерации тонких пластин, временного и спектрального поведения мод необходимо иметь в виду не только сужение запрещенной зоны в активной области, но и возможность просветления пассивных областей. Какое из этих явлений в том или ином случае играет решающую роль, покажут дальнейшие опыты. Уменьшение Eg легко обнаружить, в частности, по смещению длинноволнового края полосы спонтанного испускания в активной области, а просветление пассивной области можно зафиксировать с помощью дополнительного светового луча.
Экситонный механизм генерации излучения. Люминесценция, возникающая при спонтанной аннигиляции экситонов, подробно рассмотрена в § 8. Очевидно, наряду со спонтанной возможна и стимулированная аннигиляция экситонов как процесс, обратный экситонному поглощению света.
Ранее yjjce отмечалось (§ 5), что представление об эксито-нах большого радиуса как о водородоподобных частицах выходит за рамки зонной теории твердого тела. Поэтому совмещение энергетической схемы экситона с электронным спектром энергии в значительной степени условно. В такой же мере условно представление и об аннигиляции экситонов. С одной стороны, внутренняя и кинетическая энергия экситонов при их аннигиляции полностью передается электромагнитному полю и кристаллической решетке, включая всевозможные дефекты решетки. Это позволяет рассчитать контуры линий экситон-йой люминесценции (§ 8). С другой стороны, аннигиляцию экситонов нельзя представить как полное исчезновение частиц в некотором ограниченном объеме пространства, подобно тому как из кюветы откачиваются частицы газа. Если в кювете спектрографа не останется, например, атомов водорода, то исчезнут и все линии водородного поглощения.
В кристалле же наблюдаются пики экситонного поглощения при формальном отсутствии самих экситонов. Интенсив-
410
ность этих пиков пропорциональна концентрации всех валентных электронов, которые могут участвовать в образовании экситонных состояний.
Следовательно, полупроводник, в котором отсутствуют, но могут быть образованы экситоны, необходимо характеризовать плотностью заполненных нулевых экситонных состояний Л'эо, равной числу валентных электронов в единице объема кристалла (jV3o~ 1022 смгг).
То, что называется основным состоянием экситона (уровень Ei=Ecq—Еэ), будет одновременно возбужденным состоянием кристалла как целого.
С учетом стимулированной рекомбинации и ионизации экситонов коэффициент поглощения, обусловленный образованием экситонов в основном состоянии, можно приближенно представить в виде
