Стимулированное излучение и электронно-дырочная жидкость в слоистых полупроводниках InSe и GaSe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

академия наук азербайджанской республики

/ институт физики__

На правах рукописи

КАХРАМАНОВ НИЯЗИ БАРАТ оглы

удк 537.311.33

стимулированное излучение И э лен трон но-ду точная жидкость в слоистых полупроводниках(

1п 5е и ваЗе

01.04ЛО-Физика полупроводников и'диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учено!» степени кандидата физико-математических наук

баку - 1993'

Работа выполнена в Институте физики Академии Наук

Азербайджанской Республики. *

Научные руководители: доктор физико-математических наук

ГОДЕАЕВ И.О.

доктор физико,-математиче,ск»х наук

СУЛЕЙШЮВ P.A.

' .

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ТАГИЕВ Б.Г. доктор физико-математьческих наук, профессор БАГАЕВ B.C.

Ведущая организация - Физико-техйМческий институт им.А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится «24 »_ ЫН>Н9 1993 г. в J^ff часов на заседании Специализированного совета Д-004.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени .доктора физико-математических наук при Институте физики Академии Наук Азер-. байджана.

Адрес: 370143, Баку-143, проспект Азизбекова, 33.

О дисоертацией можно ознакомиться в библиотеке Института фиаики АН Азербайджана.

Автореферат разослан ftfCfЯ_1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор физико-математических наук, профессор ШАФИЭАДЕ Р.Б.

й;пля Х.АI'АКТЕГИОТиКЛ РАБОТЫ.

Актуальность темы« Стимулированное излучен1 ' б селениде г я алия, одном из наиболее изученных првдсгатимгйй полупроводников группы А^ со слоистой структурой, оило обнаружено ещё в начале 60-х годов. Это тс время совпало с подъемом интереса к слоистым полупроводникам и началом их подробного изучения. К настоящему времени накоплен значительный окигериментальный и теоретический материал, касающийся салих рлзнт:, в том числе и оптических свойств слоистых полупроводников, в особенности се-ленида галлия и его аналогов - сульфида галлия и селенида ин-■ дия.

Даяв поверхностный анализ работ, посвященных исследованию природы вынужденного излучения, например, в (да Бв , показывает, ч?о единого взгляда на механизм этого излучения в '"ва-5е но существует. Вынужденное излучение в Бе и ба 5е приписывалось и экситон-зкситокным и экситон-эло-ктроИнын неупругим процессам, считалось обусловленным электронно-дырочной плазмой и т.д.

Одной из главных причин, обусловивших противоречивость интерпретации и отсутствие единого взгляда на механизм вынуя-денного излучения в 1п5е и Ga.Se, является на наи взгляд, недостаточностью подробных исследований роли коллективных эффектов, возникающих при высоких уровнях оптического возбуждения, на процессы усиления света. Сравнительно 'недавно в In.Se и

Эе была обнаружена электронно-дырбчнап жидкость и электронно-дырочная плазма (ЭДП) и начаты более или менее подробные исследования их: особенностей. В то яе время в этих кристаллах совершенно не исследовалась роль таких коллектив-

ных возбуждения в процессах симулированного излучения. Еще в самом начале исследований ЭДЖ указывалось на то, что в силу сильной вырожденности ЯМ является идеальной средой для усиления света. Экспериментальные исследования процессов усиления света в условиях образования ЭДК полупроводниках 1п 5е • и ваБе могут явиться уникальными, поскольку согласно последним данным, в этих кристаллах реализуется достаточно редкая ситуация, когда энергия прямых и непрямых эк-ситонных состояний очень близки.

Экспериментальные исследования спектроь вынужденного излучения в условиях конденсации е-К пир в ЭД1 могут дать весьма ценную информацию о свойствах самого е-Ь конденсата, которую трудно получить обычными методами по спектрам спонтанного излучения.

Таким образом, главная цель диссертационной рабитн заключалась в исследовании спектров вынужденного излучения ело истых полупроводников In.Se и Ga.Se в условиях образования ЭД!1 и ЭДП для установления механизмов такого излучения и получения новых сведений об особенностях е-Ь конденсата в этих кристаллах.

Ставились и решались следующие задачи. Исследовались спектры стимулированного, спонтанного излучения в кристаллах 1п Бе , Ga.Se , а также твердых растворов Са,.„ 1п.^5е и (За5е,_д Эд (в которых можно плавно менять энергетк1-зский зазор между экстремумами зон) при разных уровнях оптического возбуждения и разных температурах. Подробно изучались свойства коллектива экситонов в этих арчохап'^г: транегры электронно-дырочной жидкости (ВД1), электронно-дырочной плазш (ЭДП) и т.д.

Рассчитывались и сравнивались " экспериментом спектры спонтанного и отимулированного излучения, основанные на указанных выше оценках, а также на той или иной модели зонной структуры.

Объектами исследования были выбраны полупроводники 1л Бе и ба {эе , а такав твердые растворы на их основе: ваЬх1ах5е и, баБе,.^» .

Научная новизна проведенных исследований.

1. В спектрах стимулированного излучения 1п 5е и 6а 5в зарегистрированы линии- излучения, обусловленные рекомбинацией <?-Ь пар в электронно-дырочной жидкости.

2. При плотностях возбуждения, превышающих пороговые значения образования ЭДК и при температурах близких к Т0(40 К) спектры стимулированного' излучения In.Se формируются рекомбинацией в-И пар как в конденсированной, так

и в газовой фазе.

3. По спектрам cтш¿yлиpoвqннoгu излучения 1п 5е и ва 5б определены температурные зависимости термодинамических параметров ЭДЖ в этом кристалле: химического потенциала, ]*> и энергии Ферми,Ер . Полученные зависимости полностью соответствуют предсказаниям плазменной модели

ЗД1.

Впервые результаты исследования стимулированного излучения эдж в !п 5е и позволили построить фазовую диаграмму (жидкостная ветвь) процесса конденсации экси-тонов в этих кристаллах. 5. В твердой растворе ва5е0975„0, оа значением

Епр _ Енепр ^ 15 мзВ зарегистрировано стимулированное излучение, обусловленное бесфононной рекомбинацией

6~Ь пар в вырожденной плазме, образованной в системе непрямых экситоиов. о . В твердых растворах Ба1х 1п-х с зонными структурами близкими к зонной структура 1п5е и Сайе , линии стимулированного излучения обусловлены аналогичными процессами неупругих экситон-экситонных взаимодействий.

Практическая ценность.

Большие значения критической температуры существования ЭДН (ппример,' в Са$е~ 90 К) позволяют получить источники когерентного излучения с большим коэффициентом усиления, работающими при достаточно высоких температурах.

Б непрямозонных полупроводниках Ga.Se Б,. возникает возможность получении стимулированного излучения с плавно изменяющейся длиной волны.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В спектрах стимулированного излучения кристаллов 1аБе и Саб в регистрируется линия излучения, обус- •

ловленная процессами рекомбинации и усиления света в электронно-дырочной жидкости, образованной ь системе непрямых экситоиов. Более длинноволновые линии вииуждеиного излучения возникают в результате неупругих столкновений прямых и непрямых экситоиов, с последующей аннигиляцией одного из них.

2. Поведение линии стимулированного излучения, приписываемого процессам рекомбинации в ЭД1 в Бб и Go.Se , полностью соответствует поведению сильно вырожденной ферми-системы, предсказываемому плазменной моделью ЭДК.

3. Экспериментальные исследования стимулированного излучения ЭДа в 1п Бе , Ga.Se ьпервца позволили построить фазовую диаграмму газ-жидкость для процесса конпгнеяций эк-

ситоной со стороны жидкостной ветви и определить критические параметры этого процесса; плотноотЫ1с и температу-

, РУ V . г

4. Установлено, что вблизи критичоокой температуры существования ЭДЖ е-И система в 1л !5е является вырожденной, чтои позволяет одновременно регистрировать стимулированное излучение, как от газовой, так и от жидкоот-

.ной фазы:

5. В непрпмозонноы полупроводнике (За, ¡5в03

со Значением Е?р - Е"0Пр » 15 ив® регистрируется стииулиро-ванное иалучение, соответствующее бесфононной рекомбинации " е-Ь пар в вырожденной элактрокно-дырочной.плазме, образованной в системе непрямых экоитонов. I

Апробация работа. Полученные в диссертационной работе результата докладывались иа ¡ Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988 г.), Координационном' совещании социалистических стран "Оптоэлектроника" (Баку, 1989 г.). И Всесоюзной научно-технической конференции Материаловедение халькогенидов полупроводников1' (ЧерновЧ!, 1991 г.) и семинарах Института физики АН Азе {^.Республики.

Публикации. Содераание диссертации отрёяено в вести печатных работах* ■■■■■■':' ,

Объем и отруктура диссертации» Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Она содержит 186.....страниц машинописного текста, включая

* таблицы, 38 рисунка и библиографию из 129 найме-! нований. • '

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснованы цель и задачи исследования, отмечена новизна, практическая значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту и кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней рассматриваются коллективные явления в системе неравно-веснг: носителей заряда большой плотности, созданных в полупроводнике. Рассматривается возможность формирования конденсированной фазы: конденсата Бозе-Энштейна,- электронно-дырочной яидкости (8ДЖ), Описываются свойства ЭДЖ, ее отличие 01;обычных жидкостей. Описываются первые экспериментальные работы по обнаружению и исследованию электронно-дырочного конденсата в непрямоэонных полупроводниках <3в я 51 . Приводятся факт обяарумения ЭД в различных полупроводниках как пряиозонных, так и непрямозонных, собраны сведения об основных параметрах 8ДК в этих кристаллах; энергии связи, работе выхода, равновесной плоуцости, критической температуре, времени жизни. Рассматривается вид фазовой диаграммы ЭДЖ в плоскости плотность-температура.

Для последующего анализа экспериментальных данных необходимо провести раочет энергии основного'состояния системы в полупроводнике, с этой целью .в главе приведены сведения необходимые для выполнения таково расчета. Приведена формула для расчета кинетической анергии е-Ь пар, рассматривается упрощенная формула для суммы обменной и корреляционной энергии, не зависящий от зонной структуры данного полупроводника, полученная в рпшсах полностью само-

согласованного приближения (Ш1С) для слабоанизотропного полупроводника. Приведена также формула для расчета полной энергии е-Н пар для сильноанизотропннх полупроводников.

- Одним из важнейших источников информации о коллективных процессах, протекающих в полупроводниках, является рекомби-национное излучение. Многие, параметры ЭДЯ и ЭДП могут быть получена из анализа спектров фотолюминесценции (ФЛ). Приведены различные формулы расчета формы линии излучения ЬдП и ЭДЖ для различных типов оптических.переходов - прямых и непрямых, разрешенных и запрещенных.

Одной.из интересных проблем, связанных с изучением ЭДЯ при конечных температурах является построение фазовой диаграммы и определение критических параметров: IIс и Гс. Приведены теоретические модели, изучающие ЭДК при конечной . температуре - плазменная И капельная модели. Показано, что' яри помощи плазменной модели можно определить критическую точку (11е , Тй) и температурную зависимость термодинамических величинэнергия Ферми, химпотенф.злз;

Вынеуказанныз расчеты можно провести лишь располагая сведениями о зонной структуре, и параметрах энергетического спектра исследуемых кристаллов. Такие сведения танке приводятся в первой главе. Рассмотрена кристаллическая структура исследуемых полупроводников. Слоистая структура вполне оправдывала подход исследователей к проблеме электронного и фоноиного спектров, как чисто двумерной^роблеме. Однако экспериментальные исследования показали; что электронные спектры 1п бе и Са5е вполне описываются в рамках но-

I

дели слабоанизотропного кристалла.

• Йоротко рассматриваются основные теоретические работы по расчету зонной структуры полупроводников, группы АзВб, выполненные, методом эмпирического поевдопотенциала для трехмерной кристаллической структуры, приведены значения величин эффективных масс в различных направлениях в, слоиогых криогаллах 1и5»е и 6а5е , полученные различными методами.

/ Анализ экспериментальных и теоретических исследований войной структуры In.Se ц G a.S e приводит к выводу о необходимости пересмотра устоявшейся непрямозонной модели зонной структуры этих кристаллов. .'

В главе опиоываются результаты первых экспериментальных исследований ЭДЖ в 1п Зе и баЗв • приводятся данные, о характеристика* ЭДЖ в этих кристаллах* Приведен достаточно полный обзор работ по изучению стимулированного излучения в In.Se и Gq.Se . Показано, что несмотря на обилие таких работ необходим новый подход в установлении механизмов стимулированного излучения, основанный на новой модели аонной отруктуры 1п- 5в и 6а 25е и учитывающий новые особенности протекания коллективных процессов в них.

Во второй главе приводятся результаты исследований спектров стимулированного излучения монокристаллов 1ц Бе при высоких уровнях оптического воабувдения.

Описана экспериментальная установка, позволяющая исследовать спектры ФЛ в широком интервале уровней возйукде-ния, вплоть до 3 МВг'сц"*2, и температур Т= I.О ^ ЗК20 В качестве источника возбуждения использовался азотный лазер о Н^юл = 3.367 эВ, длительностью импульса ~ 10 не, частотой следования импульсов ~ 30 Гц. Спектры фоголши-

несценции фиксировались о помощью стробоскопической системы фотоэлектрической регистрации и спектрометра ДФС-12.

Для исследования стимулированной фотолюминесценции в 1п , возбуждающий луч света направлялся под небольшим углом к оси "с" (нормаль к слоям) или перпендикулярно слоям. Возбуждение при этом осуществлялось с помощью узкой ■ полоски длиной . 3 мм, получаемой цилиндрической линзой. Излучение регистрировалось в направлении вдоль возбуждаемой полоски ( X с ).

' По всей совокупности полученных результатов для 1п. 5в удал'ооь выделить две группы образцов, различающихся по спектрам стимулированного излучения. Результаты, голученные на одной группе обоазцоа, оказались соответствующими литературным данным.

Стимулированное излучение, зарегистрированноз на образ- .

цах второй группы показало, что с ростом уровня возбуждения

в спектре появляется новая линия излучения ( Б -линия с

о

(Ы5 1.323 э8 ( 9370 А) при Г=5 К), располагающаяся корот-коволновее всех наблюдаемых линий стимулированного излучения в 1п Йе . Энергетическое положение этой линии при Т=5 К совпадает с.положением линии спонтанной люминесценции, обусловленной излучением ЭДН,' образованной в системе непрямых эксНтонов. С ростом температуры линия ведет себя весьма характерным образом: длинноволновое крыли линии практически не меняется с температурой, в то время как коротковолновое крыло заметно смещается в длинноволновую оторону - в результате ширина линии уменьшается и при приближении к температуре 40 К интенсивность 3 -линии раько падает, и она пороговым образом исчезает из спектра.

При температурах выше 40 К, а-также с, уменьшением уровня возбуждения опектр стимулированного излучения образцов второго типа практически полностью состоит из линий из- , лучения, свойственных образцам первого типа, т.е. из длинноволновых линий Рн (fi^ =1.312 эВ, А =94*50 А), Рр (Ц = = I.3I6 эВ, =9420 А), X (Ц =1.305 зВ, А =9500 А) (обозначения линий стимулированного излучения'соответствуют прииягам в литература). Как уже отмечалось, имеющаяся интерпретация указанных линий основывалась на "непрямозонной" зоннпй структуре InSe ..-К призеру, самая длинноволновая, Х-линия излучения приписывается излучению прямой электронно-дырочной плазмы (ЭДП). Проведенные нами расчеты энергии основного состояния ЭДП в ]п 5е , в также формы линий спонтанного, излучения, соогвагствующлх ЭДП, показали,- что линия излучения ЭДП должна располагаться значительно коротковол-новее линии X. Экспериментальные« исследования спонтанной эмиссии действительно подтвердили наличие такого излучения, обусловленного ЭДП в системе прямых эксигонов. В то же время, опираясь да новую модель эонной структуры Itlje , в йогорой энергии прямых и непрямых запрещенных зон и соответствующих эксигоноь.блИзки. ( Е"Р = 1.353 эВ, Е"0ПР=1.368 эВ,

ъ у

вэкс - 1/1,5 мэВ' Е1коР..= 35 мэВ)удалось дать правильную интерпретацию всех линий излучения, включая Х-линию. В рамках новой зонной структуры линии излучения Рк, Рг и X приписаны пр.даолач нзупругого взвимодеймвия прямых и непрямых экси-Еонов, с последующим излучением одного из них, а именно: прямой эксиюн-прямой экситон с излучением прямого эксигонэ (Рр), прямой экситон-непрямой экситон с излучением прямого эксигона (Рк) прямой эксигон-непряаой экситон о излучением непрямого -

эксигона (X). Такая интерпретация снимает основной вопрос, возникающий в рамках старой зонной структуры 1п5е : наличие интенсивного коротковолнового излучения в непрямо-зонном кристалле (так, Рг х > Е^епР , и тем более

> ЕнепР )

: экс >•

Обнаружение стимулированного излучения, обусловленного рекомбинацией е-И пар в ЭД1, открывает новые возможности изучения ЭДН, которые отсутствовали при исследовании спектров спонтайной эмиссии. Гак, сравнивая форму линий

I

спонтанной ФЛ, обусловленной ЭДЖ с теоретически рассчитанной при температурах, близких к нулю, можно определить параметры ЭДЖ: энергию основного состояния Ек=39,маВ, и равновесную плотность П„ =5.75«Ю*®-см-3. С ростом температуры, из-за температурного размытия коротковолнового края спонтанной люминесценции, возникают трудности в экспериментальном определении энергетических параметров ЭДЖ при конечной температуре (Г<ТС). Измерения спектров стимулированного излучения ЭД1 позволяют получить достаточно точные сведения об энергетически^ параметрах ЗДД при различных темпъ-ратурах: химпотенциале, энергий Ферми, плотности равновесных носителей. Положение фиолетового края спектра усиления отображает значение химического.потенциала.'ЗДЕ, а ширина спектра усиления равна сумме фермиевских энергий электронов и дырок, следовательно отобракает плотность частиц в ЭДН. Поскольку ЗДЕ представляет собой сильно выронденнуь плазму, в рам.сзх плазменной модели ЗДК теоретически рэсочигыва-лось значение химпотенциала и энергии Ферми в зависимости от двух подгоночных параметров: концентрации и гемггарагу-ры. Экспериментально с учетом теоретических расчетов установ-

-•м -

лено, чю указанные термодинамические величины квадратично зависят от температуры в области температур 1'< Та/2. Рассчитывалось значение изотермической сжимаемости ЗД& при равновесной плотности П=П0 , оно оказалось равным X = 3.35*Ю-5 см2'дин-1. Применение плазменной модели позволило также определить критические параметры фазового перехода газ - ЭДЖ; Пс =1.5-Ю18 см-3, Т0= 51 К.

Измерение спектра усиления при различных температурах позволило определить зависимость плотности ЭДЖ от температуры, т.е. построить фазовую диаграмму со стороны'жидкостной фазы (ог И^ к Пс ) в обларти температур Т < Т0.

Таким образом, обнаружение.новой линии стимулированного излучения в 1ц 5е 1 обусловленной наличием ЭДК,позволило дать непротиворечивую интерпретацию экспериментальных данных, основанную на „ювой модели зонной структуры и картине протекания коллективных процессов в атом кристалле, а также установить новые особенности ЗДЖ в |ц5в .

Третья глава диссертации посвящена исследованию стимулированного и спонтанного излучения в (за Бе? , а также твердых растворах , <5а(.хЬ5е , в которых мож-

но плавно менять энергетический зазор между экстремумами прямой и непрямой зоны в зависимости от "х".

Проведанный анализ работ по исследованию спонтанной и стимулированной М криоталлов 6а Бе при высоких уровнях возбуждения показал, что так же, как и в случае 1п5е , объяснения природы линий излучения противоречивы. Причина возникших противоречий 'такая же, ¿ак и в случае 1пБе : огсутстаио энергетики протекания коллективных процессов и интерпретация, основанная на "келрямозощшм" энергетиче-

ском спектра (напомним, что согласно существующим данным зонные структуры йабе и 1п5е весьма близки). Как и в случае 1п5е для изучения процессов стимулированного излучения, ¡ропсходящих э различных б-Ь системах в 6а 5е при высоких уровнях возбуждения предварительно был проведен расчет полной энергии е-Ь пар, рассчитаны энергии основного сосюяная для "прямой" и для "непрямой" е-И системы.

Результаты всех имущихся исследований показывают, что в геометрии "стимулированного" излучения при высоких уровнях возбуждения, спектр излучения (за Зе состоит из

Ч о .

одной линии стимулированного излучения с Д. =6035 А.

С учетом теоретических расчетов перенормировки энергетических зон при высоких плотностях возбуждения и по.^е-зультагам экспериментального исследования стимулированного и спонтанного излучения был построен энергетический спектр селенвда галлия при высоких уровнях возбуждения. Поскольку результаты, полученные для 6а 5е аналогичны, описанным выше для 1п5е , ограничился лишь тем,-что как и 1п5§ • Ga.Se оказывается полупроводником, в котором .энергии прямых и непрямых зазоров оказываются близкими (Е^ = 2.13 эВ, Е^епР , 2.155. аВ, Е^ = 20 мэЗ, Щ™* = = 57 мэВ). •

Согласно новой зонной структуре, энергетическое положение линий о Я =6035. А П.. поведение этой линии в зависимости от_ температуры и плотноота возбуждения, соответствует не^пругим взаимодействиям прямых и непрямых эксиюнов, с последующ™ излучением прямых экоитонов. '

С другой стороны, в отличие от |п5а , в (яс|5е

теоретические расчеты исследования спектров спонтанной ФЛ показывают, что возможная линия, обусловленная стимулированной рекомбинацией e-h пар в ЭДК в GttSe , должна находиться в более коротковолновой области по сравнению со всеми линиями,наблюдаемыми в геометрич стимулированного излучения. Таким образом, в GitSé не удается зафиксировать линию излучения ЭДК в геометрии стимулированного излучения. Однако,, как удалось установить, усиление света, обусловленное наличием ЭДЖ в GjaSe можно зафиксировать в геометрии спонтанного излучения. При малых размерах возбуждаемой области (длина полоски менее 0.5 мм) спектр излучения при Т=?7 К состоит из линий свободного экситонз, линии, обусловленной излучением пряной элдкгронно-дырОчной

о

плазмы и К-линиа излучения ( 6000 А), связанной с ЭДК. При увеличении длины возбуждаемой полоски до 3 мм спектр излучения существенно меняется: К-линия излучения раотет по интенсивности и максимум cueвдется в сторону длинных волн на 15 А. Такое поведение линии указывает на возросшую роль процессов усиления света в .ЭДЖ с ростом возбуадаемой области, что подгверкдеегся и расчетами, приведенными в главе. На основании плазменной модели ЗД1 были рассчитаны химпотенциал и энергия Ферми в зависимости от двух переменных: концентрации г температур. С учетом рассчцтанных значений энергии основного состояния и вычисленных термодинамических величин (химпотенцивла и энергии Ферми) в рамках плазменной модели было рассчитано и спектральное распределение коэффициента усиления ЭДК в GaSe • .

Установлено хорошев согласие экспериментальной и теоретической рассчитанной линии усиления в 6a Se обуслов?г<?н-

ной непрямой ЭДЖ. Установлено, что те'годинамические величины, химпотенциал и энергия Ферми,'квадратично зависят от температуры, в соответствии с тем, что усиление действительно происходит в сильно вырожденной среде.

На основании теоретических расчетов в рамках плазменной модели ЭДЖ и экспериментальной кривой усиления были определены критические параметры ЭДЖ: критическая температура -Т0 = 90 К и критическая плотность - Пс = 6*1Э13 см-3. Исследование спектра усиления обусловленного ЭДК в зависимости от температуры, позволило построить »идкастную ветвь фазовой диаграммы ЭДЖ т.е.:зависимость равновесной концентрации от температуры (г (Т) в области Т < Тс.

На основании исследований спектров стимулированного и спонтанного излучения и теоретических расчетов была построена картина оптических переходов в 6q.Se вблизи края фундаментального поглощения в условиях высокой плотности возбуждения и при низких температурах.

• о

В главе Щ для выяснения роли непрямых переходов в процессе усиления света, были исследованы непрямозонные твердые растворы (За Бе^ Бв.01 , в которых Е^Р - мэВ. Спектры, усиления наблюдались том же способом, что и в случае Ga.Se . По результатам расчетов, аналогичным |п5е и €>а 5е • бнл0 показано, что стимулированное излучение в этих'кристаллах.происходит в сильно вырожденной непрямой еЬ ~ плазме. Таким образом, удалось показать, что стиму-трованное излучение, обусловленное роцессами усиления в ЗД1 можно наблюдать и в "слабо непрямозонной" полупроводнике В главе также исследовались спектры спонтанного и отполированного излучения специально нелегировзнных монокрисгал-

лов Ga^Iit^Se •

Спектры усиления регистрировались в геометрии стимулированного излучения при тех же условиях, как и в случае Irl 5е • По своему поведению о температурой и уровнем возбуждения спектры стимулированного излучения 6äf_xlnxSeсоответствовали первому из описанных выше (глава П) типов спектров IhSe В частности, установлено, что .наблюдаемые линии стимулированного излучения-в 0а„Л51п0„ 5е обусловлены неупругими столкновениями двух прямых экоитонов (Рг - линия, о hy =1.334 эВ), положения Рк - линии (hf » =1.325 эВ) соответствует прйцоосу взаимодействия прямых эк- -ситонов о непрямыми, Ь результате которого излучается прямой экситон, а непрямой экситон распадается на свободные элект* роны и дырки.

Показано, что спектры излучения Ga^ltt % . харак-1 ' терны лишь для одного типа образцов InSe - в мх отсутствуют линии излучения, обусловлвнныеЗДЖ.

Полученные ревулматы по исследованию отимулированно-го излучения еще раз подтверждаю» 0здзостьзонш&. труктур lh$e и CkSe » в также главную их особенность — наличие блиэких по енергий прямых я непрямых состояний.-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ.

• • 4»

' j* ■ U

I. В спектрах стимулированного излучения 'In Sc •""обиару-* жене новая коротковолновая литая с ihy «1.323' sB А), энергетическое положение и поведение которой с -температурой и уровнем возбуждения свидетельствует о ее обусловленности процессами .рекомбинации & алёктрояно^дырочной иид-кости (ЭД1). Показано, что возможность регистрации стану-

.4 »

лироианного излучения а процессе "оилзния свега з ЭД1, образованной в результате конденсации напряшх ьксн-тонов в IrtSe ч Go-5e , обусловлена близостью энергетических состояний прямых и непрямых экситоиое в этих кристаллах.

2. На основе исследований спектров стимулированной и спонтанной эмиссии InSe ¡¡ <aaSe лри высс ..ix уровнях возбуждения, а также расчетов пнергии e-h спите!,<а высокой плотности в этих кристаллах показано, что более длинноволновые линии стлмулированнэго излучения (Я^Я5)' обусловлены процессами ноупругого взаимодействия прямых и непрямых экситонов (пр.экс.-пр.экс., пр.экс.-непр.экс., непр.экс.-пр.экс.) с последующим излучением прямого (пр.экс.-пр.экс., пр.эко,- непр.экс.) и непрямого (непр. экс. -пр.эко.) экситона, соответственно.

3. В результата экспериментальных исследований формы линий стимулированного и спонтанного излучения, приписываемых ЭД1 в 1ц 5е и GaSe и теоретических расчетов, основанных на-плазменной модели ЭДН показано, что наблюдаемое излучение действительно свойственно сильно вырожденной ферыи-системе.

4. Впервые по спектрам стимулированного излучения I{v Se определены зависимости от температуры гермодинамаче-. ских параметров ЭДН в этом кристалле: химического потенциала,/it , и энергии Ферми, Ег.

Показано, что в области Г < Гс/2 (Т0 -критическая температура) зависимости, /1 (Г) и EF (Г) являются квадратичными, в соответствии с поведением сильно вырожденной ферми-системы."

5. На основе экспериментальных данных и в райках плазменной модели ЭД* определены критическая концентрация неравновесных носителей Пе , критическая температура Т0 фазового перехода газгцсидкость и равновесная плотность П0 эдк, для ЫЗеибв&г : л* =1.5'Ю18 см-3, Тс=40 К,

а. =6'Ю18 си"3 С1п5е), и Пс =б«1018 см"3, тс=90 К, По сГ.ЭТЧО1^ см"3 (5»а5е). Впервые построена жидкостная ветвь (от П0 к Пс ) фазовой диаграммы ЭДЖ в 1п5е См5е в облаем температур Т < Тс.

6. Установлено, что одновременное наблюдение в 1п5е стимулированного излучения от газовой и жидкостной фазы обусловлено тем, что ЭДк в 1п5в является сильно вырожденной ферми-сисгемой даже вблизи критической температуры,

7. В йепрямозоннсш кристалле <эа-

=15 ыэВ) при ?7 К зарегистрировано стимулированное

о

излучение вблизи л =5965 А. Показано, что наблвдае-мая линия стимулированного излучения может быть интерпретирована в рамках модели бесфон'шшой излучательной рекомбинации е-Ь пар в вырожденной электронио-ды-рочиой плазме, образованной в системе непрямых зксиго-нов.

8. В результате исследований спектров стимулированного и опонтзнного излучения кристаллов твердых растворов

ва (и 5е установлено, что стимулированное излучение

1-Х л .

в этих кристаллах обусловлено процессами неупругих экси-мн-эксигонних столкновений в системе прямых и непрямых экситонов (аналогично длинноволновому излучешда в (л и бк^е).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алиев Е.Т., Годкэев М.О.., Кахраманов Н.Б. Конденсированное состояние электронно-дырочной плазмы и стимулированное излучение в слоистом InSe . Материалы Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Кишинев, 1983, т.3, с.101-102.

2. Алиев Е.Т., Годкзев Ы.О., Кахраманов Н.Б.

Механизм стимулированного излучения в твердых растворах

GctSe GctS •

Груды координационного совещания социалистических стран ;'0пто-электроника 89", Баку, 1989.

3. Алиев Е.Т., Кахраманов Н.Б.

Механизм излучэтельной рекомбинации в слоистом кристалле ln.Se •

Тезисы докладов Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Материаловедение хзлькогевидных полупроводников". Черновцы, 1991, с.50.

4. Абдуллаев Г.Б., Годкаев М.О..Кахраманов Н.Б..СудеАманов P.A. Стимулированное излучение в слоистых кристаллах In Se

и Ga 5е .

ФГТ, 1992, т.Я, в.1, с.75-83.

5. Годжаев M.Q.. Кахраманов Н.Б.. Сулейманов P.A. Электронно-дырочная кидкость и усиление света в слоистых кристаллах In.Se wGaSe.

'РТТ, ТЛ'93, 1.35, в.2, с,446-453. '

6. Годдаев М.О.. Кахраманов Н.Б.. Сулейманов P.A. Коллективные зкеитонные процессы в спектрах излучения слоистых кристаллов Ga,.xJnÄ5e .

!'ГТ, 1393, т.35, в.5. •

■Jtc^naCauo ¿> ne?orñc i7. CS /fff3¿

c3odct Зл/ 38 $$ с и' У д. п. G£/p<jjcS~0

f?,. Селен' ИФМоЛзер^ао^оиа M ^JÏrdtàjjj,