Введение к работе
Актуальность теми. Изучение примєсішх оптических переходов уже несколько десятилетий остаётся одним из центральных вопросов полупроводниковой оптики. Причина устойчивого интереса к этим проблемам кроется не только в ва;;шом прикладном значении соответствующих исследовании, но и в целом ряде фундаментальных вопросов физики конденсированного состояния, в частности, роль хаотических примесных полей в формировании оптических спектров, кинетика и релаксация возбуждений в примесной системе и т.д. Кроме того, существуют проблемы, связанные с воздействием изолированных точечных дефектов или их скоплений - кластеров - на кв'антовомеханичес-кое движение квазичастиц в кристалле. Такое воздействие непосредственно проявляется в спектрах люминесценции или оптического поглощения полупроводниковых кристаллов. При этом информация о частотных характеристиках и интенсивностях примесных оптических переходов важна для выбора режима работы приборов оптоэлектроники.
Принципиальные трудности в исследовании примесных оптических переходов обусловлены тем, что в таких процессах' участвует несколько квазичастиц ( как минимум две - электрон и дырка, находящиеся в поле примесного центра ) . Роль многочастичных эффектов в примесных оптических переходах обсуждалась в ранних работах Вильямса [,1,2^ . Существенный прогресс в понимании роли многочастичных эффектов был достигнут благодаря работам Рашба J.3J о свойствах оптических снекі ров локализованных эксигонных состояний. Ясно, что рассматриваемые процессы являются частным случаем задачи многих тол и не всегда удаётся вычислить вероятности оптических.переходов, а тем более указать параметрические зависимости.
В настоящей диссертации исследуется роль многочастичных эффектов в процессе, примесных оптических переходов для целого класса систем, допускающих получение аналитических зависимостей частотных характеристик и вероятностей оптических переходов. При этом рассматриваются также конкурирующие
_ 4 -с оптическими . безызлучательные многочастичные переходы, интенсивность которых стимулируется наличием примесного центра. Перечисленные выше факторы и определяют актуальность выполненных в диссертации исследовании.
Целью настоящей работы является теоретическое описа- .. ние оптических примесных переходов в полупроводниковых кристаллах с учётом многочастичных эффектов. При этом основное .. внимание уделяется получению аналитических зависимостей, характеризующих оптические и конкурирующие с ними безызлуча-. тельные многочасточные процессы. Такие зависимости от.пара-, метров полупроводниковых кристаллов и точечных дефектов важны при прогнозировании и создании новых полупроводниковых .. материалов и приборов на их основе. Рассмотренные в диссер-. тации многочастичные эффекты применяются для описания экспериментально наблюдаемых оптических спектров полупроводниковых кристаллов.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней с помощью асимптотических методов исследована роль многочас-.. тичных процессов в оптических и. конкурирующих с ними, без-ызлучателышх пршлесних переходах. На основе этого с единой точки зрения рассмотрен широкий класс новых физических эффектов в оптических.примесных переходах. Единство метода исследований для всех рассмотренных в диссертации процессов, общность их проявлеїшя даёт основание выделитьповое научное направление исследований : роль многочастичных эффектов в формировании частотных зависимостей примесных оптических переходов в полупроводниках.
Практическая ценность. В современных приборах оптоэлек-троники, лазерной техники в значительной мере используются оптические свойства легированных полупроводников. Детальная информация о примесных.переходах, их интенсивностях, частотных зависимостях и т.д. принципиально важна для работы соответствующих приборов. При этом существенно необходимым ста-.. новится знание этих зависимостей от параметров полупроводниковых кристаллов и точечных дефектов. Именно аналитические зависимости позволяют наиболее оптимальным образом выбрать
характеристики необходимых оптических переходов. Кроме возможности разнообразных приложений, исследования, виполнениые в диссертации, представляют и чисто научішП интерес. Разработанные в диссертации методи применимы к широкому классу оптических процессов в полупровогщиках. Результаты диссертационных исследований применялись для объяснения совокупности экспериментальных данных по примесным оптическим переходам, а также использовались другими авторами для описания различных явлений полупроводниковой оптики. lice сказанное выше и обусловливает практическую ценность работы.
На зашиту выносятся следующие положения.
-
Разработан метод теоретического описания многочастичннх эффектов в межпримесных излучательных переходах и оптических переходах зоиа-примесь. Показано, что образование промежуточного экситонного состояния существенно изменяет вероятности и частотные зависимости указанных процессов.
-
Точечные дефекты, создающие уровни резонансного рассеяния вблизи границ зон, способны одновременно локализовать электрон-дырочную пару (экситон Мотта) . Это происходит не -смотря на то, что такие дефекты не создают связанных состояний отдельно для каждой из квазичастиц. Разработана методика теоретического описания такого процесса локализации и вычисления оптических параметров, возникающих много-частичных комплексов.
-
Исследован новый механизм формирования дискретных спектров экситонно-примесной люминесценции. Дискретность возникает благодаря процессам резонансного заселения кластеров точечных дефектов, обладающих вполне определёнными геометрическими конфигурациями. Отличительная черта такой дискретной серии - сгущение линий спектра в низкочастотный край.Уничтожение тем или иным способом механизма резонансного заселения ( увеличение температуры, интенсивности накачки или концентрации точечных дефектов ) ириво-
. дат к сглаживанию указанной .дискретной структуры. 4."Магнитная" масса трансляционного движения экситона пеня-
рок магнитного поля существенно влияет на спектры экситон-но-примесной люминесценции. Рост "магнитной" массы при увеличении напряжённости магнитного поля приводит к появлению новых линий люминесценции ЭПК и к гашению спектров эк-ситонно-примесной люминесценции по сравнению со свободными экситонами. При этом закон "гашения" универсален для различных типов экоитонно-примесных комплексов. 5.В процессе оптлческой ориентации электронных состояний глубоких примесных центров в переходах " зона - примесь",из-за смешивания рааяичных зонных состояний полем глубокого центра возникает зависимость степени ориентации от частоты поглощаемых квантов. Такая зависимость отсутствует при межзонных переходах, она обусловлена интерференцией вкладов от различных зон в плектроннные состояния глубокого центра. б.Безызлучательная оже-рекомбинация экситонно-примесных коип-лексов может эффективно конкурировать с процессами их оптической рекомбинации. Вероятность оже-распада зависит от симметрии многочастичной волновой функции. Для основного состояния комплекса скорость оже-распада,как правило,существенно меньше скорости распада из возбуждённого состояния соответствующей симметрии.Перевод тем или иным способом системы из основного в возбуждённое состояние приводит к изменению величины квантового выхода экситонно-примесной люминесценции.
Апробация работы.Результаты исследований.вошедших в диссертацию докладывались на Международной конференции по спектров опии /София,1934/ , на Х-ХІІІ Совещаниях по теории полупроводников, на X Всесоюзном съезде по спектроскопии /Томск, 1983/ ,на Совещании по избранным вопросам теории твёрдого тела /Звенигород, 1987 /, на Всесоюзной конференции по физике полупроводников /Баку , 1982/ , и других совещаниях и конференциях.
Результаты исследований докладывались на семинарах ряда лабораторий п учреждений : ФТИ АН СССР им.А.Ф.Иоффе /Ленинград/, Ж'ТТ Л11 СССР /Москва/ , ИП АН УССР /Киев/ , ГОК им.С.И.Вавилова /Ленинград/, ЛПИ им.М.И.Калинина /Ленинград/'.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 25 публикациях, список которых1 приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Объём диссертаций составляет 257 страниц, включая 16 рисунков и список литературы из IG6 наименований.
