Исследование эффектов межэкситонного взаимодействия в монокристаллах селенида галлия

• Автор: Каперко, Виктор Павлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Киев
• Количество страниц: 173 c. : ил

- 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 (ЭДЮ, неравновесной электронно-дырочной плазмы (ЭДД) и др. Наличие ЭДД и ЭМ убедительно доказано и разносторонне изучено для непрямозонных кристаллов германия и кремния. Однозначно решены многие вопросы, касающиеся ЭМ в прямозонных соединениях СиСС- и СиВ'г . •
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: ЭДД или же ЭДД.
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 воз-буяздения.

Нерешенность упомянутых выше вопросов требует их более

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 ваве преимущественно рассматривались его оптические свойства при сравнительно низких уровнях возбуждения. Что же касается исследований оптических спектров ва£е 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-кициеся к моттовской. При этом вследствие сильной экранировки кулоновского взаимодействия экситоны распадаются на несвязанные электроны и дырки.

Промежуточные значения Р., , при которых естественно

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, ОаБе 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.

Следует также отметить, что большой выход люминесценции и относительная простота технологии выращивания монокристаллов (та£>е делают 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 &е ;
- определение влияния анизотропии эффективных масс носителей и специфики строения энергетических зон на возможность образования и свойства биэкситонов в кристаллах в а Зв
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 ваБе. , наблюдаемые при Т ^4 К и возбуждении кристалла
, П = 1 Г П
квантами, энергия которых ',б0^оз^-^ЕЭ|<с ( Ь-эк^ = 2,1116 эВ - энергия образования экситона в основном ( П = I) состоянии), с интенсивностью Ри ~ 20 т 250 кВт/см^ обусловлены

преимущественно экситон-экситонным взаимодействием. Установлено, что это взаимодействие имеет характер притяжения.
При указанных выше уровнях возбуждения впервые в монокристаллах бабе 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-

щественно свободными экситонами. Так как настоящая работа посвящена исследованию эффектов коллективного взаимодействия в газе свободных экситонов, то мы в основном будем использовать образцы, в спектрах которых отчетливо проявляются свободные экситоны.
2.1.4. Особенности низкотемпературных спектров Ста £>е при высоких уровнях возбуждения.
В отличие от случая низких уровней возбуждения, оптические свойства селенида галлия при больших плотностях накачек изучены менее полно. Основная часть работ, посвященных этому вопросу, выполнена при сравнительно высоких температурах (Т £,80 К) [147 - 150] . Более низкотемпературные исследования ( Т^4,2 К), особо интересные с точки зрения возможности наблюдения таких эффектов коллективного взаимодействия экситонов, как образование полиэкситонных комплексов, ЭМ, Б-ЭК экситонов или же ЭМ, представлены небольшим числом работ [98, 151 - 154]. К тому же результаты, получаемые разными авторами, несколько отличаются, а истолкования полученных спектров часто противоречивы.
Наиболее разносторонние исследования проведены авторами [151 - 152]. Ими изучены изменения спектров излучения монокристаллов Grd $е. > возникающие при изменении температуры и уровня возбуждения. В [l5l] показано, что характер изменения спектров люминесценции с ростом уровня возбуждения существенно зависит от качества кристалла, в частности, от наличия в нем дефектов структуры и примесей. На рис. 13 приведены спектры фотолюминесценции бга ße , полученные в [l5l] от двух кристаллов с различным содержанием примесей при Т = 4,2 К и плотностях возбуждения Р ^0,16 Вт/см^;