自由激子与束缚激子的复合发光PL

AC
1.6K
Eg
PLE&PL: Eg , EbA,
发4
PLE
EbB, EbC
PL
光
强3
PR
度
2
1
PLE-PL激发谱
PR-光反射谱
3.40 3.45 3.50 3.55(eV)
A: 3.472 eV ，9V - 7C, B: 3.48150.001 eV, 7V - 7C C : 3.493 eV，7V - 7C , (n=2)
束缚激子为D0X ❖ 激子结合能与束缚能
EF bEEgEFE 3.5043.4840.02eV
ED bXEgE F bEED X 3.5040.0203.4760.008
EA bXEgE F bEEA X 3.5040.0203.4590.025
Haynes经验规则：束缚激子的束缚 能与相应杂质离化能之比为常数
GaN: a=0.215
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ZnO薄膜激子自发辐射与受激辐射
Bagnall et al.， Appl. Phys. Lett., Vol. 70, No. 17, 2231 （1997）
❖受激辐射的判据
➢超线性激发强度关系 ➢ 粒子数反转 ➢谱线窄化 ➢相干性
The room-temperature dependence of integrated output intensity on excitation intensity.
(a) (b)
GaN的(a)低温下激子发光和(b) 室温下带边紫外发光
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束缚激子的复合，PL谱
❖束缚激子 EexEgEbEB bX ❖种类
➢束缚于中性施主D0X ➢束缚于中性受主A0X ➢束缚于离化施主D+X ➢束缚于离化受主A-X ➢束缚于等电子陷阱
❖特点
➢谱线窄化 ➢振子强度高 ➢束缚能低，温度敏感(低可编温辑)版
Photoluminescence of GaN
grown by molecular-beam
epitaxy on a freestanding GaN template，M. A.
Reshchikov,a) D. Huang, F. Yun, L. He, and H. Morkoc， D. C. Reynolds，S. S. Park and K. Y. Lee，APPLIED
ZnSe晶体10K下自由和束缚激子的发 光。材料系用MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy)方法，原材料为 二甲基锌（DMZn）和二甲基硒，上 图：普通DMZn ；下图：纯化 DMZn
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束缚激子结合能
❖ 低温下，BX为主 ❖ 升温，BX快速下降 ❖ 本征GaN为n-型，
子
激发
复合
Wannier激子激发与复合示意图
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CdS声子伴随的激子发光
1
GaN的能带结构
• 晶体场+自 旋—轨道耦合 价带：EAB=6 meV, EBC=37meV,
• 激子结合能 EAb= EBb =20 meV, Ecb=18meV
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2
GaN自由激子(FE)的PLE与PL
样品:本征GaN (Eg=3.504eV)厚膜
PHYSICS LETTERS VOLUME 79, 3779（ 2001）
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10
❖ 束缚激子双电子跃迁：束缚激子中的一个电子ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ空穴复合发光
同时激发杂质中的另一个电子(n=1—>n=2),等于杂质电离能ED的3/4.
❖ 计算施主能级的电离能
采用杂质态的类氢模型
DEB LX(EB LX)2e
3 4ED
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8
❖ 激子光谱分析
➢ 带隙Eg
➢ 自由激子结合能
Eb FER*EgEF LE
➢ 束缚激子结合能
Eb BXEgR*EB LX
➢ 杂质能激级ED, EA (见下文）
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9
束缚激子的双电子跃迁(DBE)
束缚激子的电子与空穴复合所释放的能量一部分用于发光， 另一部分用于对中性施主中另一电子的激发，该过程被称 为束缚激子的双电子跃迁
7
ZnO微晶激子自发辐射 与受激辐射
Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films
Z. K. Tang,a) G. K. L. Wong, and P. Yu Kowloon, Hong Kong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, and H. Koinuma, Y. Segawa APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 72, NUMBER 25, (1998) 3270
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Normalized spectra taken at (A)low ~66 kW cm-2, (B) intermediate ~660 kW cm-2 (C) high ~1.32 MW cm-2 excitation levels. ~Intensities are plotted on a linear scale.!
4.4 自由激子与束缚激子的复合发光-PL
❖ 自由激子（FE）复合
➢ 直接与间接复合 ➢ 声子伴线
Eex EgE1 2(m2e*Kexm 2h *)Egm m*213.6(eV) N
Kex qn,n1,2,...,N
n1
m *
E exE gm 213.6(eV) N E P
“-” 发射声 子
“+”吸收声
ED2 D24/328.8meV
Donner Si
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DEBX2EBX1:n1n2
D1 EB LX(D10XA n1)(ED LBE)2e(D10XA n1)2e
3 3.47203.44750.02454ED
ED1D4/332.6meV
Donner O
D2 EB LX(D20XA n1)(ED LBE)2e(D20XA n1)2e
3 0.02164ED2
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本征与轻n-掺杂GaN低温下发光谱PL 样品1-本征GaN: 激子线 A-3.488eV;
B-3.495, C-3.506eV; FWHM=3meV 样品2- n-轻掺杂: 只有带边发射宽带3。
自由激子发射与带边发射PL谱
❖ 自由激子PL谱：谱线，精细结构；材料纯度高，结晶质量好 ❖ 带边发射：谱带，无精细结构；升温，掺杂，改变维度