Photoluminescence ofGaSe

Summary

The photoluminescence of a large number of pure and doped single crystals of GaSe has been investigated in the temperature range from 4.2 to 300 °K with excitation intensities varying between 4·10⁻⁵ and 3·10² kW cm⁻². The excitation was produced by the green line of a frequency doubled Nd: YAG laser. All crystals were grown in our laboratory, most of them by the Bridgman technique and some by transport reaction with iodine. Although no emission lines were found which were specific of the particular impurity introduced in the crystal, it was possible to classify the 4.2 °K spectra according to the amount of added impurities. Above 40 °K, the spectra of all crystals are identical. This dependence on temperature of the spectra is due to the rapid quenching between 20 and 40 °K of the luminescence resulting from recombinations at trap states and to the increasing importance at high temperatures of free-exciton recombinations. The two groups of lines associated with these two recombination channels constitute the principal part of all observed spectra. The variation of the spectra with temperature, pumping power and impurity content is interpreted as the result of a balance between the two recombination channels. A model of kinetics taking into account these two channels as well as the fact that the free exciton in GaSe resonates with the indirect minima of the conduction band is discussed in detail.

Riassunto

Si sono fatte ricerche sulla fotoluminescenza di un gran numero di cristalli puri e drogati di GaSe nell’arco di temperature che va da 4.2 a 300°K con intensità di eccitazione variabili fra 4·10⁻⁵ e 3·10² kW cm⁻². Si produceva l’eccitazione con la linea verde di un laser a frequenza raddoppiata Nd:YAG. Si erano coltivati in laboratorio tutti i cristalli, per molti dei quali si era usata la tecnica di accrescimento di Bridgman, mentre per altri la reazione di trasporto con iodio. Benchè non si siano trovate righe di emissione caratteristiche della particolare impurità introdotta nel cristallo, si sono potuti classificare gli spettri a 4.2°K secondo la quantità di impurità aggiunte. Oltre 40°K si sono trovati spettri identici per tutti i cristalli. La dipendenza deglispettri dalla temperatura dovuta al rapido spegnimento, fra 20 e 40°K, della luminescenza, risultante dalla ricombinazione negli stati trappola e alla crescente importanza alle alte temperature delle ricombinazioni di eccitoni liberi. I due gruppi di righe connessi con questi due canali di ricombinazione costituiscono la parte principale di tutti gli spettri osservati. Si è interpretata la variazione degli spettri con la temperatura, la pressione e la concentrazione di impurità come risultato di un equilibrio fra i due canali di ricombinazione. Si discute nei dettagli un modello di teoria cinetica che tenga conto di questi due canali come del fatto che nel GaSe gli eccitoni liberi entrano in risonanza con i minimi indiretti della banda di conduzione.