高激发密度下的发光

高激发密度下发光两激可结成个子子电穴可凝为电子和穴系成等子，或电穴滴EHD)。激分和子空穴液都从光象研中发的在高发度低条下更易察。3.7.1激子分子的发光（激子分子的发光首次在中被报道,后来证明不是激子分子,而是电子-空穴液滴年对在低温下红宝石激光激发晶得到CuCl的发光光谱除了已知的由激子发光线在低能方向出现M线和线发光强度在一范围内与激密度的平方成正比,因被归结为激子子的发光

。

此后在、大多数II-VI化合物：CdSe和ZnO等，以III-V半导体中都相继观测到激子分子的发光。激子分子总能量等于个激子的能量去激子分子的结合能GmE2[(E*)g

2k2]2M

激子分子发光可以理为其中一个电空穴对复合,剩下一个保持为激子因此，发光的量为一个自激子62

m61m61的能量E减激子分子结能。exm*Lm

22M

其中M为电子和空穴的总有效质量，k为激子波矢。因此激子分子发光能量比自由激子要低一个G。如果伴随声子发射，还要减去发射声子的能量E。对于直接跃迁，与K有关的动能项可以忽略不计。ex激子分子的发光，除了能量较低之外，有一个与激子发光明显不同的特点，就是

激子分子光的强度随激发度的提高，线性增大

。这一点常常用来判断是激子发光还是激子分子发光。设激子的度为，激子发光的光强度In。激子密度一般比于激发强I，即II。ex激子分子由两个激子合在一起形成，其密度与子密度的方成比例，而其发光强度II。mex图显晶体1.8K下的发光光谱弱的汞灯激发下，只察到自激子发[A]及束缚激子的发光I和I线。当使用高强度的脉冲（纳秒）N分子激光激发时新M，其强度随激发强度超线性地增长，因此被指认为激子分子发光意，图中M线的强度被按比例压缩。图在1.8K低下，晶中激子分子的发光63

**假设激子分子的运动遵从麦克斯韦-玻耳兹曼分其动能可用一等效温度T来描述，激子分子的发光光谱可以表示为IALg

*

1/2m

exp(

*mk

)

其中，E*g

，A为与无关的常数。图3.7-2表示CuCl发光的M带以及用(3.7-3)式拟合的结果。可见3.7-3)式适合于激子分子发光过程的描述，同时说明激子分子的热分布遵从玻耳兹曼统计。从拟合中得到参数T=26K,effCuCl激子分子的结合能G=meV。激子分子的结合能很低，因此关激子m分子发光的实验必须在低温下进行。图CuCl激子分子发谱与线的理论计算实验温为4.2K,激发强250mW计中假定子分子动能麦克斯-玻耳兹曼分,等效温度为26K3.7.2电子空穴滴的发光2.2节中已提到，在低温和强的激发强度下，电子和空穴可以进一步凝聚成电子—空穴液滴在这种激发态于组成液滴的带电子和价带穴之间存强关联和交作用，使得每对电子和空穴的平均能量更低，它们复合发光的特征峰位出现在激子峰的低能方向

,以理解为电子-空穴液滴具有较低的能隙。g电子液滴最早是从对Ge光现象的研究中被发现的图3.7-3(a)和(分别表示在和1.7K的低温和强激发条件下,半导体Ge发光光谱。其中峰位在714的A线声子伴随的自由激子(FELA)发光在比A低5的709meV处的B线，为声子伴随的电子液滴(EHD的发光,位64

1212于meV的B线为EHD声子伴随的复合发光其峰位比同样低大约5。3.7-3(b)中的FE线消失,可能由于在更低的温度下，自由激子全部凝结为。而在高能方向出现位于meV的EHD声子伴线B峰，它也比FE-TA发光峰低。些新的发峰

BB、出现的12条件是

激发密度高临界密度测量温度于临界温。cc同时这些

发光过程伴随光电导，因此被为是电子空穴液滴的发光而不是激子激子分子的发。图3.7-3(a)4.2K下Ge半体的发光谱。其中

A为声子随自由激子FELA)

的发光,和分别为LA和1声子随的发光。图3.7-3(b)1.7K半体发光谱由子

A(FELA)线消失，只有电子-空穴液滴的B线B线在较高能量方面出现

声子伴随的EHD发光B线265

ff10ff10gL电子空穴液滴的发光作为一个实体曾经被拍摄下来,其大小为级。EHD可以类比为液态金属。可对定义一个功函数和费米能（图sf3.7-4用金属电子气费米能与电子浓度的关系Ef

23(m*

)

,

可以从电子液滴的浓度n和电子有效质量m*计算E计算的再与EHD发光峰宽度进行比较反过来从发峰宽度得到利用(3.74)式对电子f和空穴的密度进行计算Ge和一系列的实验n10/cm10/cm量级，理论和实验能够较好地符合，说明用液态金属来模拟电子空穴液滴是合理的。图在K下,的发光光。发光量714meV为LA伴随的自激子(FE-LA)发光EHD发光为709meV的宽带,表示EHD到脱出功由高激发密度的电子气凝聚为EHD,能量进一步降低导体Ge,激子的结合能为4meV,而EHD的功函数(EHD费米面到自由激子发光峰)仅为meV。因此只有在极低温的条件下，才能观察到EHD的发光。图给出半导体Ge有关自由激子、激子的声子伴线、以及EHD发光跃迁能带图。其中带间间接跃迁发光能量为E=745718meV;中自由激子结合能为4meV,因此FELA子发光能量为718714除了LA子TA和TO声子都可能参与自由激子的发光。从的费米面到自由激子基态的结合能为2meV,电子空穴液滴的费米能约为，因此从EHD发光峰到由激子发光峰的间隔为5meV。66

图3.7-5导