- 2 -
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В последнее время активно исследуются процессы межэкситонного взаимодействия при высоких уровнях возбуждения кристалла. Эти процессы, как известно, могут привести к возникновению новых эффектов таких, как образование стабильных экситонных комплексов - биэкситонов или экситон-ных молекул (ЭМ), электронно-дырочной жидкости (ЭДЖ), неравновесной электронно-дырочной плазмы (ЭДП) и др. Наличие ЭДЖ и ЭМ убедительно доказано и разносторонне изучено для непрямозонных кристаллов германия и кремния. Однозначно решены многие вопросы, касающиеся ЭМ в прямозонных соединениях СиС6- и Си В*
Что же касается большинства других кристаллов, то следует отметить, что коллективные экситонные процессы в них изучены недостаточно полно. Имеются существенные противоречия в интерпретации природы тех или иных полос излучения, возникающих в различных кристаллах при их интенсивном лазерном возбуждении. Мало исследованы так называемые когерентные взаимодействия экситонов и ЭМ - их бозе-эйнштейновская конденсация. В значительной мере проблематичен вопрос о том, что образуется в прямозонных полупроводниках при предельно высоких уровнях возбуждения: ЭДЖ или же ЭДП.
Нет ясности в вопросе о влиянии анизотропии кристалла на образование и свойства ЭМ. В особенности это относится к слоистым кристаллам, возможная квазидвумерность и анизотропия энергетических зон которых могут вносить определенную специфику в оптические свойства кристалла при высоких уровнях возбуждения.
Нерешенность упомянутых выше вопросов требует их более
- 3 -
глубокого и тщательного экспериментального исследования.
Обьект исследований. Настоящая работа направлена на изучение эффектов коллективного взаимодействия экситонов в одном из представителей анизотропных полупроводников - в слоистых кристаллах селенида галлия. Необходимо подчеркнуть, что в существующих работах по изучению оптических свойств бабе преимущественно рассматривались его оптические свойства при сравнительно низких уровнях возбуждения. Что же касается исследований оптических спектров ваБе при высоких плотностях накачек ( Рн ), то следует отметить, что они во многих отношениях неполны.
Так, имеющиеся работы проведены при предельно высоких Ри , создающих очень высокие концентрации экситонов, приближа-
П
ющиеся к моттовской. При этом вследствие сильной экранировки кулоновского взаимодействия экситоны распадаются на несвязанные электроны и дырки.
Промежуточные значения Ри , при которых естественно
н
ожидать проявления таких эффектов взаимодействия экситонов, как образование полиэкситонных комплексов, ЭМ, бозе-эйнштей-новская конденсация экситонов либо ЭМ изучены недостаточно.
Не было также проведено целенаправленного изучения характера межэкситонного взаимодействия в этом соединении.
Вместе с тем, йаБе представляется весьма интересным модельным объектом для изучения влияния анизотропии эффективных масс носителей на процессы коллективизации экситонов. Кроме того, структура энергетических зон этого соединения характеризуется наличием близко расположенных прямого и непрямого минимумов зоны проводимости, что может сказываться на оптических свойствах кристалла при высоких уровнях возбуждения.
- 4 -
Следует также отметить, что большой выход люминесценции и относительная простота технологии выращивания монокристаллов ба£еделают это соединение весьма перспективным материалом для оптоэлектроники и квантовой электроники.
Целью настоящей работы было:
- определение характера межэкситонного взаимодействия в кристаллах селенида галлия;
- изучение эффектов, обусловленных этим взаимодействием и их проявления в оптических спектрах Ста ;
- определение влияния анизотропии эффективных масс носителей и специфики строения энергетических зон на возможность образования и свойства биэкситонов в кристаллах б а 5в .
Кроме того, предстояло рассмотреть особенности моттов-ского перехода в экситонной подсистеме селенида галлия и возможность возникновения в нем ЭДЖ.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Впервые показано, что большой длинноволновой сдвиг, уши-рение и изменение асимметрии формы экситонной полосы поглощения баБе. > наблюдаемые при Т ^ 4 К и возбуждении кристалла
. П-1 р п = 1
квантами, энергия которых пб1^взу^ЕЭ|<с ^ ЭКС = эВ - энергия образования экситона в основном ( П = I) состоянии), с интенсивностью Ри ~ 20 т 250 кВт/см^ обусловлены
п
преимущественно экситон-экситонным взаимодействием. Установлено, что это взаимодействие имеет характер притяжения.
При указанных выше уровнях возбуждения впервые в монокристаллах йаБе доказано существование ЭМ. Определен ряд их параметров. Путем анализа теоретических и экспериментальных данных установлено, что величина энергии связи ЭМ в этом соединении довольно большая ( » 4,1 мэВ), что может быть обу-
- 5 -
словлено анизотропией эффективных масс носителей.
Впервые в оптических спектрах селенида галлия при Т =1,6 К и Рн>20 кВт/см^ обнаружено поглощение, возникающее в результате индуцированных экситон-биэкситонных переходов.
В спектрах люминесценции бабе при возбуждении с Рн~ ~ 300 кВт/см^ и Т = I,6 К обнаружено и изучено излучение, связанное с процессами ЭМ-ЭМ рассеяния.
Показано, что при уровнях возбуждения, соответствующих экранировке кулоновского взаимодействия носителей в экситоне, образуется неравновесная ЭДП, в формировании которой, по-видимому, принимают участие дырки и электроны прямой и непрямой зон проводимости.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы при создании и оптимизации приборов и устройств квантовой электроники, применяющих селенид галлия.
В частности, данные по спектрам люминесценции при высоких уровнях возбуждения будут полезны при создании ОКТ на основе
Оо 8е .
Созданная в процессе выполнения диссертационной работы экспериментальная установка, а также разработанные вопросы методического характера могут быть рекомендованы в дальнейших экспериментальных исследованиях.
Краткое содержание. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Первая глава содержит анализ литературных данных по исследованию физических явлений, связанных с коллективным взаимодействием в экситонном газе. Выделены актуальные вопросы, связанные с существованием биэкситонов, бозе-эйнштейновской конденсацией экситонов и ЭМ и образованием электронно-дыроч-
- 6 -
ного конденсата в прямозонных полупроводниках.
Во второй главе приводятся необходимые сведения о структуре энергетических зон, экситонах и экситонных спектрах ваБе. Рассмотрены также основные результаты, полученные другими авторами при исследовании оптических свойств этого соединения при высоких уровнях возбуждения. Описана используемая в работе экспериментальная установка и дано краткое описание лазеров на красителях, изготовленных автором в процессе подготовки к выполнению диссертационной работы.
В третьей главе изложены результаты исследования характера менэкситонного взаимодействия, возникающего при высоких уровнях возбуждения кристалла. Дан подробный анализ влияния этого взаимодействия и некоторых других факторов на параметры полос экситонного поглощения в селениде галлия. Рассмотрение проведено с учетом специфики спиновой конфигурации эк-ситонов в этом соединении.
Четвертая глава содержит материал, полученный при исследовании люминесцентных спектров кристалла при высоких уровнях
возбуждения ( Р ~10 * 350 кВт/см^). Анализируются основные
н
свойства наблюдаемых при этом новых полос излучения. Приводятся доказательства биэкситонной природы М-полосы люминесценции, определена область ее существования и ряд параметров ЭМ. Рассмотрена роль анизотропии кристалла в формировании ЭМ и новая линия в поглощении, обусловленная индуцированными экситон-биэкситонными переходами.
В пятой главе рассмотрены особенности спектров излучения йаЗе при возбуждении с Рн>250 кВт/см^. Показано, что помимо наблюдавшейся ранее другими авторами полосы излучения, обусловленной экситон-экситонным рассеянием, спектры содержат
- 7 -
также полосы, возникающие в результате неупругого ЭМ-ЭМ рассеяния и излучения "прямой" и "непрямой" ЭДП.
В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы настоящей работы.
На защиту выносятся следующие положения.
1. При низких температурах ( Т £ 4 К) и интенсивном
О
лазерном возбуждении с Ри ~ 20 - 250 кВт/см , создающем кон-
н
центрации экситонов •'1- э ^ 6*10^ * 5*10^см-^ в экситонном газе монокристаллов селенида галлия возникает взаимодействие, имеющее характер притяжения.
2. В спектрах люминесценции &а Зе при Т = 1,6 К и определенных уровнях однофотонного зона-зонного или же резонансного с экситонным уровнем возбуждения с интенсивностью от нескольких десятков до сотен кВт/см^ наблюдается полоса излучения, соответствующая излучательной рекомбинации экси-тонных молекул (ЭМ). Энергия связи ЭМ в Сабе составляет 5=4,1 мэВ. Это значение превышает величину энергии связи, которая имела бы место в случае изотропности эффективных масс носителей, что связывается с влиянием анизотропии эффективных масс носителей в йо бв.
3. При создании в кристаллах баЗе достаточно большой концентрации экситонов ( К1 > 6,4*10^ см-^) и низких
(Т ~ 4 К) температурах в спектральной области, соответствующей полосе излучательной рекомбинации ЭМ, наблюдается поглощение, вызванное индуцированными экситон-биэкситонными переходами.
4. В более длинноволновой относительно экситонной и би-экситонной полос излучения области спектра при высоких уровнях возбуждения ( Р >300 кВт/см^, Т = 1,6 К), помимо полос
н
- 8 -
излучения, связанных с экситон-экситонным рассеянием возникают также и полосы, обусловленные биэкситон-биэкситонным рассеянием и излучением ЭДП.
Основные результаты работы опубликованы в шести печатных работах и докладывались на Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Киев, 1980 г.); Всесоюзном совещании по люминесценции (Ленинград, 1981 г.); Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Баку, 1982 г.), а также на научных семинарах Института физики АН УССР.
- 9 -
ГЛАВА I
КОЛЛЕКТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭКСИТОНОВ ПРИ ВЫСОКИХ УРОВНЯХ ВОЗБУЖДЕНИЯ
1.1. ЭКСИТОННЫЕ МОЛЕКУЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
1.1.1. Общие сведения.
При наличии между экситонами взаимодействия, имеющего характер притяжения, возможно образование связанного состояния двух экситонов - биэкситона или же экситонной молекулы (ЭМ). Впервые существование ЭМ независимо друг от друга предсказали Москаленко и Ламперт [I, 2]. Вопросы образования и стабильности ЭМ, их оптические и коллективные свойства освещены в ряде обзорных статей и монографий [I - 9] . Избегая пересказывания изложенного в них материала, вкратце упомянем некоторые вопросы, касающиеся ЭМ, акцентируя внимание на актуальных аспектах экспериментального исследования оптических явлений, обусловленных существованием ЭМ.
Энергия связи ЭМ (0 ) и ее зависимость от соотношения эффективных масс электрона и дырки исследованы
в [I, 8 - II]. Шарма [8] впервые произвел вычисления (т^ в интервале изменений (5 от 0 до I и заключил, что ЭМ стабильны для всех значений 0 за исключением области
0.2^ (5^0.^ . Однако в дальнейшем выяснилось, что полученная область нестабильности явилась следствием неточности рассчетов. Акимото и Ханамура [9], пересмотрев результаты Шармы, первыми показали, что ЭМ стабильны для любых значений Со . Результаты, полученные позднее другими авторами, подтверждают эти выводы.
- 10 -
Таким образом,существование ЭМ можно ожидать во многих соединениях, включая для которых значения <5 заключены в пределах: 0.2 4 <ЕГ 4 0Л , только для гексагональных
кристаллов этой группы следует учесть влияние анизотропии эффективных масс электрона и дырки. Вычисления G|^ как функции параметра анизотропии
где ™;4(2%+гг\'|)
в предположении, что масса электрона изотропна и намного меньше массы дырки, приведены в [10, И] • Авторы этих работ указывают, что анизотропия не оказывает существенного влияния на энергию связи биэкситона. Иного мнения о влиянии анизотропии эффективных масс носителей придерживаются авторы работы [12]. Они утверждают, что в случае большой анизотропии энергия диссоциации ЭМ может быть больше потенциала ионизации экситона.
Хотя экспериментальные данные по изучению ЭМ в некоторых анизотропных кристаллах ( СсИ Э , Со1 &е,Но(^) все-таки свидетельствуют, что их анизотропия к существенному увеличению энергии связи биэкситона не ведет, неоднозначность в оценке ее влияния на Сг^ существует до настоящего времени, оставляя этот вопрос в какой-то мере открытым.
На стабильность ЭМ оказывает также влияние экситон-фононное взаимодействие, которое, как показано в [13, 14] , может вызывать как притяжение экситонов, так и их отталкивание. Рассчеты Gf^ с учетом электрон-фононного и электроннодырочного взаимодействий дали результаты, находящиеся в хорошем согласии с экспериментом.
Характер взаимодействия между экситонами при различной ориентации спинов четырех частиц ( двух электронов и двух дырок) рассмотрен в [2, 7, 15].
и (5-=те/ти,
- II -
1.1.2. Оптические свойства кристаллов, обусловленные ЭМ«
Биэкситоны оказывают заметное влияние на краевое поглощение и люминесценцию кристаллов. Они ответственны за появление новых полос, возникающих в низкотемпературных спектрах в процессе превращения экситонов в ЭМ, их взаимодействия друг с другом и диссоциации. Гоголин и Рашба £16, 17] впервые показали, что процессы превращения экситонов в ЭМ обладают гигантской силой осциллятора, а механизм высвечивания экситонов через ЭМ состояния, из-за малого времени жизни биэкси-тонов, должен быть довольно эффективным. Из расчетов [18] следует, что полуширина полосы люминесценции биэкситонов отлична от нуля даже при Т = О К, а полосы люминесценции и поглощения с их участием обладают граничной частотой и имеют асимметричную форму с пологим длинноволновым хвостом.
Роль ЭМ в формировании спектров полупроводниковых кристаллов при высоких уровнях возбуждения, а также спектры бозе-конденсированных ЭМ исследованы в работах Ханамуры [19-- 21] . Им впервые предсказано существование так называемой -полосы люминесценции, обусловленной ЭМ-ЭМ столкновениями, а также указано [22, 23] на возможность прямого создания биэкситонов путем одновременного поглощения двух квантов света с энергией *^а);=Езкс"’С/^ж Коэффициент такого двухфотонного поглощения (ДФП) должен быть очень большим из-за совместного влияния резонансного усиления и большой силы осциллятора [24] .
В настоящее время наличие двухфотонного возбувдения (ДФВ) является одним из очень веских аргументов при идентификации ЭМ. Кроме того, как будет показано ниже, Д<Ш дает возможность решать различные вопросы, связанные с когерент-
- 12 -
ными и некогерентными оптическими процессами в полупроводниках.
Благодаря бурному развитию лазерной техники в настоящее время появилась возможность осуществлять возбуждение кристаллов когерентными импульсами света субнаносекундной длительности. Как предсказывают авторы [25], при использовании импульсов, длительность которых меньше времени релаксации экситонов или же ЭМ, последние будут когерентными. Это позволит наблюдать новые физические эффекты, некоторые из которых ( такие, как экситон-биэкситонная нутация [2б] ) авторы [25, 2б] предлагают использовать для достоверной идентификации и более полного изучения биэкситонов.
Многочисленные эксперименты по выяснению оптических свойств ЭМ, проведенные в последние годы, показали, что многие экспериментальные факты объяснимы только в рамках поляри-тонов - смешанной моды фотона и экситона, выступающих как начальное и конечное состояния в оптических процессах [27, 28].. Авторы [27], учтя поляритонный эффект, ввели понятие поляри-тонной молекулы, что внесло существенную поправку в численное значение G^ для материалов с промежуточным значением (5 . Точность полученных в [27] значений G^ составляет: 5% для Си СС 10% для 2г\0 ? 20% для ColS и Col Se. В случае En Se получено, что биэкситон не стабилен.
Несмотря на такую точность, полностью преодолеть существующее расхождение между теорией и экспериментом авторы [27] не представляют возможным, так как аналогично электронно-дырочному ) обмену, поляритонно-молекулярный эффект может вести как к увеличению, так и к уменьшению . Оче-
видно, что для окончательного решения проблемы необходимо рас-
- 13 -
смотреть все электромагнитные взаимодействия в кристаллах, учитывая как поляритонный эффект, так и обменное взаимодействие .
При излучательной рекомбинации ЭМ образуется квант света с энергией ^2^2
1ча) = Еэкс." 2 т'*
где Е зкс , т з " энергия образования и масса экситона соответственно, К - волновой вектор биэкситона. Кроме этого рождается экситон или же свободная электронно-дырочная пара [2, 4] .
Форма и положение полос рекомбинации ЭМ в зависимости от конечных состояний экситона и геометрии эксперимента изучены в [28 ] . Теоретические положения, приведенные в этой работе, хорошо согласуются с экспериментальными результатами по люминесценции, полученными авторами на кристаллах Си Сб. Газ ЭМ, рождаемых прямым ДФП, в одинаковых начальных состоя-ниях с волновыми векторами К-2сц ( - волновой вектор
возбуждающих квантов), считается "холодным" и невзаимодействующим и находящимся в этом же состоянии к началу рекомбинации.
Излучательная рекомбинация ЭМ может дать невозбужденные экситоны в каком-либо из трех состояний. Первое - продольный экситон, дисперсионное соотношение для которого в приближении эффективных масс есть
где |с= ] к | , Еу - энергия Г5 поперечного экситона при
1с =0, £ - величина продольно-поперечного расщепления
- 14 -
и Мэ- эффективная масса экситона.
Второе и третье состояния возникают вследствие поляри-тонного эффекта, ведущего к расщеплению конечного экситонно-го состояния на поляритоны верхней поляритонной ветви (ВПВ) и нижней поляритонной ветви (НПВ), дисперсионные соотношения для которых запишутся как [28]
4(%г
)
ГДе 8^0 " диэлектрическая постоянная при *КбО Ет ; ^ - находится из соотношения 5/Ет ~~]/\ ч-1 , а
если нет взаимодействия с электромагнитным полем, равно
Ъ2“ к2“
ЕТ«=ЕТ + 1Г^
Дисперсионная кривая ЭМ имеет вид:
2.1
(1.4.) э
а ДЕ определяется как 2ЕТ -Е„(0) .
Из закона сохранения энергии следует, что рекомбинация "холодных" ЭМ через одно из трех рассмотренных выше состояний может дать только один фотон фотоноподобного поляритона НПВ
- 15 -
с волновым вектором с£ и энергией tiCt) = Е (fy) . Конечный спектр должен содержать три очень узкие линии с максимумами при [28]
М?)=Ем(2й)-Еи(2?;-?) П-5-)
E,($)=E„(2$)-E|(2ifi-?) (i.e.)
Е| (р - ЕМ (2^,) -Е2(2^; -fo (1.7.)
В зависимости от соотношения углов падения возбуждающего светового пучка и угла, под которым регистрируется излу-чение, вышедшее из кристалла (т.е., от проекции на направление наблюдения) можно наблюдать узкие люминесцентные линии, соотношение интенсивностей и положение максимумов которых будут меняться при изменении геометрии эксперимента.
На рис. I приведены дисперсионные кривые ЭМ, продольного экситона и поляритонов НПВ и ВПВ, а также условно изображены возможные излучательные переходы на НПВ. Одна из соответствующих этим переходам геометрическая конфигурация эксперимента ^28] показана на рис. 2.
Возникающие в результате переходов (1.5.) и (1.6.) продольный экситон с энергией Еь и поперечный экситоноподоб-ный поляритон НПВ дадут, при взаимодействии с поверхностью кристалла, фотоны, порождающие узкие линии люминесценции, обозначаемые обычно и /А-р . Что же касается поляритонов ВПВ (переход (1.7.), то следует отметить, что вопрос о величине их вклада в люминесценцию оказался в некоторой мере дискуссионным. Однако работы последних лет [29, 30*] свидетельствуют о том, что переходы экситонов обеих ветвей являются важным каналом излучательной рекомбинации ЭМ.
- Київ+380960830922