Введение к работе
Актуальность темы» Стимулированное излучен1 ' в селениде гпчлня, одном из наиболее изученных првдс:,-іп;іг,з.т'>;й полупроводников группы A,Bg со слоистой структурой, сило обнаружено ещё в начале 60-х годов. Это же время совпало с подъемом интереса к слоистым полупроводникам и началом их подробного изучения. К настоящему времени накоплен значительный оіпгериментальньїй 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 индия.
Даяв поверхностный анализ работ, посвященных исследованию природы вынужденного излучения, например, в Ga Se , показывает, 450- единого взгляда на механизм этого излучения в ~"fad"5e но существует. Вынужденное излучение в Ift Se ii Go. 5е приписывалось и экситон-зкеитокным и экситон-эло-ктроНнын 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 InSe и , является на наи взгляд, недостаточностью подробных исследований роли коллективных эффектов, возникающих при высоких уровнях оптического возбуждения, на процессы усиления света. Сравнительно недавно в JtlSe и Ga Se была обнаружена электронно-дырочная жидкость и электронно-дырочная плазма (ЭДП) и начаты более или менее подробные исследования их: особенностей. В то ке время в этих кристаллах совершенно не исследовалась роль таких коллектив-
ных возбуждения в процессах стиаулированного излучения. Еще в самом начале исследований ЭДХ 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 In 5е и GaSe могут явиться уникальными, поскольку согласно последним данным, в этих кристаллах реализуется достаточно редкая ситуация, когда энергия прямых и непрямых эк-ситонных состоянии очень близки.
Экспериментальные исследования спектроь вынужденного излучения в условиях конденсации е-К пар в ЭДД могут дать весьма ценную информацию о свойствах самого e-h 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 и GaSe в условиях образования ЭД!1 и ЭДП для установления механизмов такого излучения и получения новых сведений об особенностях e-h конденсата в этих кристаллах.
Ставились и решались следующие задачи. Исследовались спектры стимулированного, спонтанного излучения в кристаллах In Se , GaSe , а также твердых растворов Ga^In^Se и GaSe,., S„ (в которых иойно плавно менять энергетк1-зский зазор между экстремумами зон) при разных уровнях оптического возбуждения и разных теипературах. Подробно изучались свойства коллектива зкеитонов в этих кркзіал.т'гг: параметры электронно-дырочной жидкости (ВД1), электронно-дырочной плазмы (ЭДП) и т.д.
-5.-
Рассчитывались и сравнивались " экспериментом спектры спонтанного и отимулировашгого излучения, основанные на указанных выше оценках, а также на той или иной модели зонной структуры.
Объектами исследования били вибраны полупроводники In, Se и Get Зе , а такие твердые растворы на их основе: GabxItvx5e и, GaSe^S» .
Научная новизна проведенных исследований.
-
В спектрах стимулированного излучения In Se и Ga Зв зарегистрированы линии излучения, обусловленные рекомбинацией Є-h пар в электронно-дырочной жидкости.
-
При плотностях возбуадения, превышающих пороговые значения образования ЭДК и при температурах близких к Т0(40К) спектры стимулированного излучения формируются рекомбинацией Є-h пар как в конденсированной, так
и в газовой фазе.
3. По спектрам стимулированного излучения In Se и Get S6
определены температурные зависимости термодинамических
параметров ЭДЖ в этом кристалле: химического потенциала,
J*> и энергии Ферми, Ер . Полученные зависимости полностью соответствуют предсказаниям плазменной модели ЗДІ.
-
Впервые результаты исследование стим^.шрованного излучения ЭДЖ в In Se и SttPfi позволили построить фазовую диаграмму (жидкостная ветвь) процесса конденсации экси-тонов в этих кристаллах.
-
В твердой растворе Gtt5e097SQO, со значением
Епр _ Енепр 2, 15-мэВ зарегистрировано стимулированное излучение, обусловленное бесфояонной рекомбинацией
- б -
6~h пар в вырожденной плазме, образованной в системе кеярлиых экоитонов. о . В твердых растворах Gat_K In-K $е с зонными структурами близкими к зонной структура InSe и GaSe , линии стимулированного излучения обусловлены аналогичными процессами неупругих экситон-экситонных взаимодействий.
Практическая ценность.
Большие значения критической температури существования ЭДИ (пприыер.'в Ga$e~ 90 К) позволяют получить иоточники когерентного излучения с большим коэффициентом усиления, работающими при достаточно высоких температурах.
Б непрямозонных полупроводниках GaSe S,.возникает возиоенооть получении стимулированного излучения с плавно изменяющейся длиной волны.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
В спектрах стимулированного излучения кристаллов ItxSe и GaS& регистрируется линия излучения, обус- ловлеиная процесса ні рекомбинации и усиления света в электронно-дырочной жидкости, образованной в системе непрямых экоитонов. Более длинноволновые линии вынужденного излучения возникают в результате неупругих столкновений прямых и непрямых экоитонов, с последующей аннигиляцией одного из них.
-
Поведение линии стимулированного излучения, приписываемого процессам рекомбинации в дШ в In Se и і полностью соответствует поведению сильно вырожденной ферми-системы, предсказываемому плазменной моделью ЭДК.
-
Экспериментальные исследования стимулированного излучения ЭДЗ в In Se і GaSe ъпервио позволили построить фазовую диаграмму газ-жидкость для процесса коизногшгл эк-
ситонов со стороны жидкостной ветви и определить критические параметры этого процесса; плотноотЫ1с и температу-
k. Установлено, что вблизи критичоокой температуры су-щертвования ЭД1 e-h система в InSe является вырожденной, что позволяет одновременно регистрировать стимулированное излучение, как от газовой, так и от жидкостной фазы:
5. В непрямозоннон полупроводнике Ga.Seo,^Se03
со значением Ё?р - Е"в1?р » 15 мэВ регистрируется стимулиро-
ванное излучение, соответствующее беофононной рекомбинации
" e-h пар в вырожденной эяектропно-дарочной.плазме, обра
зованной в бистеме непрямых ЗКОИТОНОВ. ;
Апробация работа. Полученные в диссертационной работе результаты, докладывались на. Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988 г.), Координационном' совещании социалистических стран "Оптоэлектроника'? (Баку, 1989 г.), Ш Всесоюзной научно-технический конференции 'Материаловедение халькогёнидовполупроводникЬв^ (Черновцы, 1991 г.) и семинарах Института физики АН Аэерб'.Республикй.
Публикации. Содержание диссертации отражено в шести
печатных работах* ':' ,
Объем и отруктура диссертации» Диссертация состоит из
введения, трех глав, выводов и списка литературы. Она со
держит 186 ~; страниц машинописного текста, включая
* таблицы, 38 рисунка и библиографию из 129 наиие->
нований* .'-. <
