[論文レビュー] Peculiarities of the Light Absorption and Emission by Free Electrons in Multivalley Semiconductors

P. M. Tomchuk|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、不純物および音響散乱を含めた異方性電子分散と散乱機構を考慮して、多谷物半導体内の自由電子による光吸収および自発放出の一般式を導出する。非平衡状態下で一方向の圧力や高強度照射がかかると、両者に偏光依存性が現れることが明らかになった。量子的状態では、高エネルギー光子に対して発光強度が指数関数的に抑制されるが、古典的状態では周波数に依存しない。

ABSTRACT

General expressions are obtained for the coefficient of light absorption by free carriers as well as the intensity of the spontaneous light emission by hot electrons in multivalley semiconductors. These expressions depend on the electron concentration and electron temperature in the individual valleys. An anisotropy of the dispersion law and electron scattering mechanisms is taken into account. Impurity-related and acoustic scattering mechanisms are analyzed. Polarization dependence of the spontaneous emission by hot electrons is found out. At unidirectional pressure applied or high irradiation intensities, the polarization dependence also appears in the coefficient of light absorption by free electrons.

研究の動機と目的

• 多谷物半導体内の自由キャリアにおける光吸収および発光の一般式を導出すること。
• これらの材料における電子分散則および散乱機構の異方性を考慮すること。
• 不純物および音響散乱が吸収および発光過程に与える影響を分析すること。
• 非平衡状態下で吸収および発光に偏光依存性が現れる条件を調査すること。
• 発光強度が電子温度、濃度、および谷特有のパラメータにどのように依存するかを確立すること。

提案手法

• 質量テンソルの主軸系において、ベクトルポテンシャルによる電磁場結合を含めた電子ハミルトニアンを定式化する。
• 摂動論を用いて、電磁波の存在下での電子波動関数に対するシュレーディンガー方程式を解く。
• 運動方程式のアプローチを用いて、外部電磁場下における電子-イオン散乱の衝突積分を導出する。
• 緩和テンソルの成分（τ⊥, τ∥）を用いて散乱の異方性を記述し、古典的および量子的状態の両方を適用する。
• 波場誘起発光フレームワークからの形式的代入により、吸収係数および発光強度を評価する。
• イオントポテンシャルにはデバイスクリーニングモデルを用い、電磁波は周波数ωの単色波を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子分散則の異方性は、多谷物半導体内の自由キャリアによる光吸収および発光にどのように影響するか？
• RQ2 不純物および音響散乱機構は、高温電子による光発光の偏光依存性を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 自由キャリアの吸収係数が偏光依存性を示す条件は何か？
• RQ4 古典的状態と量子的状態の両方において、発光強度はどのように光子周波数に依存するか？
• RQ5 個々の谷において、発光および吸収は電子濃度および温度にどのように依存するか？

主な発見

• 吸収係数および発光強度は、それぞれの谷における電子濃度 $ n_i $ および温度 $ \theta_i $ に明示的に依存しており、系の多谷物性を反映している。
• 古典的周波数領域（$ \bar{h}ω \ll \theta_i $）では、式 (73) が示すように、発光強度は放出される光子周波数に依存しない。
• 量子的周波数領域（$ \bar{h}ω \gg \theta_i $）では、式 (74) が示すように、発光強度は光子エネルギーの増加に伴い指数関数的に低下する。
• 一方向の圧力がかかる、または照射強度が高い場合には、谷特有の異方性により、発光および吸収の両方に偏光依存性が現れる。
• 発光強度は、有効質量成分（$ m_\bot, m_\| $）および緩和時間 $ \tau_\bot, \tau_\| $ に比例し、偏光方向と対称性軸のなす角度 $ \varphi_i $ によって重み付けられる。
• 発光および吸収の導出式は、古典的および量子的状態の両方で一貫しており、緩和テンソルのエネルギー依存性の違いにより、数値係数のみが異なる。