半導体 輻射・非輻射再結合寿命の温度依存性

質問

基礎的なところで恐縮ですが、ふと考えてみると私の理解が怪しいことに気付きました。
質問は、輻射・非輻射再結合寿命の温度依存性についてです。

低温で試料のフォトルミネッセンスを測定すると、室温に比べて強いPLが得られます。
低温では、非輻射再結合が起こりにくくなり、多くの電子-正孔対が輻射再結合を起こし、より強いPLが得られるのだと思います。
しかし、なぜ低温で非輻射再結合が抑制されるのかについて考えてみると、明確な答えが出せません。
キャリアの熱速度が低下することで、非発光中心（欠陥）がキャリアをキャプチャしにくくなるからでしょうか…？
この点についてお力を貸していただけないでしょうか。
宜しくお願いします。

また、輻射再結合寿命についてですが、こちらも低温ではキャリア寿命が長くなるのでしょうか。
私の試料における発光スペクトルを見ると、低温では最低エネルギー位置からの発光しか起こっていないように見えます。
（低温では対称なシングルピークです。室温では短波長側に裾を引いたピークになっています）
これは低温において、輻射再結合寿命が長くなり、キャリアがより低エネルギー位置におさまる時間が出来たと考えて宜しいのでしょうか。

以上の点についてご教授頂けると大変助かります。
関連する情報でしたらなんでも構いませんので、回答のほどお願いします。
宜しくお願いします。

回答No.1

leo-ultra · ベストアンサー

>キャリアの熱速度が低下することで、非発光中心（欠陥）がキャリアをキャプチャしにくくなるからでしょうか…？

キャリアが捕獲される場合に、なんらかの越えなければならないエネルギー障壁があるということです。低温だと、キャリアの平均エネルギーが低いので、この障壁を越えられないので欠陥に捕獲されにくくなります。

>輻射再結合寿命についてですが、こちらも低温ではキャリア寿命が長くなるのでしょうか。

純粋な輻射寿命は遷移の振動子強度で決まるので、ほとんど温度変化しないと思います。観測される発光寿命（輻射と非輻射をあわせたもの）は温度を下げるとあるところで飽和するのではないでしょうか？

>低温において、輻射再結合寿命が長くなり、キャリアがより低エネルギー位置におさまる時間が出来たと

輻射再結合寿命が延びたのではなく、非輻射が減ったため、キャリヤが
格子の温度に近くまで冷えることができた結果だと思います。

むしろボルツマン分布が効いていると思います。
発光する準位間のキャリア分布がボルツマン分布的になり、
温度が低ければ低いほど、最低エネルギーからの発光が中心になります。

お礼

回答有難うございます！
宜しければ以下の点についてもう少し教えていただけないでしょうか。
宜しくお願いします。

＞キャリアが捕獲される場合に、なんらかの越えなければならないエネルギー障壁がある
このエネルギー障壁について具体的な説明というのは可能でしょうか・・・？
かなり難しいかもしれませんが、イメージだけでも掴めればと思うのですが…。

＞観測される発光寿命（輻射と非輻射をあわせたもの）は温度を下げるとあるところで飽和するのではないでしょうか？
確認ですが、温度を下げるにしたがって発光寿命（輻射と非輻射をあわせたもの）は長くなり、
最後は輻射再結合が支配的となり、輻射寿命の辺りで飽和する、という理解で宜しいでしょうか。

回答No.2

leo-ultra

> 確認ですが、温度を下げるにしたがって発光寿命（輻射と非輻射をあわせたもの）は長くなり、
最後は輻射再結合が支配的となり、輻射寿命の辺りで飽和する、という理解で宜しいでしょうか。

はい。

＞キャリアが捕獲される場合に、なんらかの越えなければならないエネルギー障壁がある
このエネルギー障壁について具体的な説明というのは可能でしょうか・・・？

例えばエネルギー的に深い準位は、キャリアを捕獲すると格子を歪ませて変形することが多いです。その方が安定だからです。
キャリア捕獲する前の格子が歪む前と、キャリアを捕獲して格子が充分に変形した状態は（準）安定状態なのですが、キャリアを捕獲してちょっとだけ変形した状態は中途半端な状態なので安定ではありません。
つまり安定ではないということは上記の（準）安定状態よりもエネルギー的に高い状態だということです。
キャリアが捕獲されて充分に格子が変形した状態になるためには、どうしても中途半端に変形した状態（つまりエネルギー的に高い状態）を経由するしかないのです。つまりこの状態がエネルギー障壁になります。

格子が大きく変形しない欠陥の場合は知りません。

お礼

再度有難うございます！！
格子歪みを伴うキャリアキャプチャ、よく分かりました。
そういえばそういう話があったのをようやく思い出しました…。
あくまでイメージの上ですが、かなりすっきり理解できました。有難うございます。