Экситон-фотонная фотолюминесценция в широкозонных сплавах Hg$_{1-x}$Cd$_{x}$Te

Е. И. Георгицэ, Л. М. Гуцуляк, В. И. Иванов-Омский, В. М. Погорлецкий, В. А. Смирнов


Аннотация: Приведены результаты исследования фотолюминесцентных свойств широкозонных твердых растворов Hg$_{1-x}$Cd$_{x}$Te ($0.5 \leqslant x \leqslant 0.72$) в интервале температур $2{-}90$ K и магнитных полей до 6 Т. Концентрация носителей в исследованных растворах, измеренная при 77 K, изменялась в пределах $(9 \cdot 10^{14} \div 3\cdot 10^{16})$ см$^{-3}$. Образцы получены модифицированным методом Бриджмена и имели $p$-тип проводимости.
Наблюдаемая сложная структура спектров фотолюминесценции растворов Hg$_{1-x}$Cd$_{x}$Te ($0.5 \leqslant x\leqslant 0.72$) при 2 K в отсутствие магнитного поля идентифицирована как связанный на глубоком акцепторе ($\varepsilon_{a} \sim 70$ мэВ) экситон и его фононные реплики. Из спектра фононных повторений для энергии продольного оптического фонона подрешетки теллурида кадмия получено значение $(21 \pm 0.2)$ мэВ. Особенности тонкой структуры бесфононной линии в отсутствие магнитного поля представлены как связанные на акцепторе состояния экситонфононного комплекса, в которой идентифицированы переходы ($2p_{-1} \to 1S$), $(2p_{0}\to 1S)$, $(2S\to 1S)$, $(2p_{+1}\to 1S)$ и $(3p_{-1}\to 1S)$.
Показано, что увеличение полуширины бесфононной линии с ростом температуры и магнитного поля подтверждает предположение, что основной вклад в уширение линии фотолюминесценции дают флуктуации состава твердого раствора, межпримесное и электрон-фононное взаимодействия. Определены основные параметры каждого механизма уширения, а также концентрация носителей и степень компенсации. Полученные значения согласуются с результатами электрических измерений.
Показано, что в магнитном поле при 4.2 K интенсивность интегральной фотолюминесценции экситонной линии уменьшается в области слабых полей до 3 T и растет в сильном поле. Предложен механизм, с помощью которого объясняются наблюдаемые особенности.