РЕКОМБИНАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

РЕКОМБИНАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

(рекомбина-ционная люминесценция) - люминесценция полупроводника (и диэлектриков), обусловленная рекомбинацией неравновесных электронов и дырок. В отличие от др. видов люминесценции, под Р. и. понимают процесс, к-рому предшествует образование свободных носителей заряда. По способу такого возбуждения различаются неск. видов Р. и.: катодолюминесцен-ция (возбуждение электронным пучком), используемая в люминесцентных экранах и как метод хим. и структурного анализа, а также в полупроводниковых лазерах; электролюминесценция (ин-жекционная люминесценция; возбуждение происходит за счёт инжекции неосновных носителей через p- п-пе-реход), применяемая в светодиодах и инжекционных лазерах; фотолюминесценция (возбуждение светом с энергией фотона , превосходящей ширину запрещённой зоны полупроводника I. К Р. и. относят также т. н. пробойное свечение, возникающее при ударной ионизации обратно-смещённого p - n -перехода [1].

Внутренним квантовым выходом Р. п. h наз. отношение числа квантов Р. и. к числу квантов возбуждающего света или к числу носителей, инжектированных через p- n -переход. Наибольшим квантовым выходом обладают прямозонные полупроводники (рис. 1). Для идеального кристалла выполняется закон сохранения квазиимпульса, когда при поглощении или излучении фотона переход электрона из валентной зоны в зону проводимости (или наоборот) происходит "вертикально". Это означает, что квазиимпульсы электрона в зоне проводимости и в валентной зоне равны (импульс фотона пренебрежимо мал). Между возбуждением и Р. и. протекает т. н. процесс остывания горячего (возбуждённого) носителя.

При низкой концентрации осн. носителей остывание происходит за счёт излучения фотонов, а при высокой - за счёт межэлектронных взаимодействий (см., напр., Межэлектронное рассеяние). Рекомбинация, происходящая после остывания, сопровождается излучением фотонов с энергией, близкой к ширине запрещённой зоны (краевое излучение). Наиб. квантовым выходом краевого Р. и. (1) обладают светодиоды на основе гетеро-структур в системе Ga - Аl - As [2]. В этом случае неосновной носитель, возникший в результате возбуждения, рекомбинирует не со своим партнёром по рождению, а с одним из множества осн. носителей легиров. полупроводника. Если электроны рекомбинируют, не успев остыть, то энергия фотонов , однако квантовый выход горячей люминесценции на много порядков меньше, чем у краевой.

Рис. 2. Зонная диаграмма прямозонного полупроводника с расщеплённой валентной зоной.

Пробойное свечение обычно представляет собой горячую люминесценцию дырок, возникающих при ударной ионизации. Дырки разгоняются электрич. полем по спиновоотщеплённой зоне u_s и излучают свет, переходя в валентную зону с тяжёлой эфф. массой т носителя (рис. 2). Спектр пробойного свечения широкий, а квантовый выход мал (порядка долей %).

Кроме межзонных переходов Р. и. может быть вызвано оптич. переходами типа примесный уровень - зона. Они существенны в случае непрямозонных полупроводников, когда переходы между экстремумами зоны проводимости и валентной зоны невозможны без участия фононов (рис. 3). С переходами примесь - зона связано, напр., свечение светодиодов на основе GaP. Спектральная полоса излучения типа примесь - зона, как и краевого, узкая . Краевое излучение при высоком уровне возбуждения испытывает сужение спектральной полосы. Этот уровень соответствует условию инверсии населённости квантовых состояний, к-рые участвуют в переходе. При этом краевое спонтанное излучение переходит в вынужденное (стимулированное [3]). Инверсия населённости в полупроводниках происходит, когда расстояние между квазиуровнями Ферми неравновесных электронов и дырок окажется больше Это же пороговое условие должно быть выполнено в активном слое полупроводникового лазера, когда в нём возникает генерация. Инжекционный лазер (на p- n -переходе) отличается от светодиода тем, что грани кристалла образуют резонатор Фабри - Перо (см. Оптический резонатор). Когда порог генерации лазера превышен, то спект ральная полоса Р. и. подвергается сужению.

Краевое спонтанное Р. и. GaAs и др. прямозонных полупроводников может обладать поляризацией. Причина поляризации - спин-орбитальное расщепление валентной зоны. В единичном акте рекомбинации электрона с лёгкой дыркой электрич. вектор излучения Е колеблется преим. вдоль направления квазиимпульса k рекомбинирующих частиц. Степень поляризации такого излучения (согласно теории) ~ 60% [3]. В акте рекомбинации электрона с тяжёлой дыркой E колеблется в плоскости, перпендикулярной k; степень поляризации при этом ~ 100%. Когда квазиимпульсы носителей распределены изотропно, то поляризация излучения исчезает. Т. к. неравновесные носители, возникающие при пробеге p- n -перехода, распределены по импульсам анизотропно, то Р. и. оказывается поляризованным [4, 5]. Анизотропия импульсного распределения рекомбинирующих носителей возникает и при туннельном просачивании через прямо смещённый p - n -переход. В этих условиях также наблюдается поляризация Р. и. [6].

Лит.· 1) 3 и С., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., т. 2, М., 1984; 2) Алферов Ж. И. и др., 100% внутренний квантовый выход излучательной рекомбинации в трехслойных гетеросветодиодах на основе системы AlAs - GaAs, "ФТП", 1975, т. 9, с. 462; 3) Келдыш Л. В..Константинов О. В., Перель В. И., Эффекты поляризации при межзонном поглощении света в полупроводниках в сильном электрическом поле, "ФТП", 1969, т. 3, с. 1042; 4) Царен-ков Б. В., Гладкий Б. И., Эффект поляризации спонтанного рекомбинационного излучения полупроводника в электрическом поле, "ФТП", 1969, т. 3, с. 1036; 5) Константинов О. В., Перель В. И., Царенков Б. В., О причинах поляризации спонтанного рекомбинационного излучения полупроводников типа арсенида галлия в электрическом поле, "ФТП", 1969, т. 3, с. 1039; 6) Алферов Ж. И. и др., Диагональное туннелирование и поляризация излучения в гетеропереходах Al_xGa_1-xAs - GaAs и p - n -переходах в GaAs, "ФТП", 1969, т. 3, с. 1054. О. В. Константинов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.