Temperature-dependent photoluminescence in Ge: Experiment and theory

光致发光 声子 布里渊区 凝聚态物理 物理 联轴节(管道) 谱线 导带 价(化学) 直接和间接带隙 直线(几何图形) 带隙 材料科学 电子 光学 量子力学 几何学 数学 冶金
作者
J. Menéndez,C. D. Poweleit,Sean E. Tilton
出处
期刊:Physical review 卷期号:101 (19) 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevb.101.195204
摘要

We report a photoluminescence study of high-quality Ge samples at temperatures $12\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{K}\ensuremath{\le}T\ensuremath{\le}295\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{K}$, over a spectral range that covers phonon-assisted emission from the indirect gap (between the lowest conduction band at the $L$ point of the Brillouin zone and the top of the valence band at the \ensuremath{\Gamma} point), as well as direct gap emission (from the local minimum of the conduction band at the \ensuremath{\Gamma} point). The spectra display a rich structure with a rapidly changing line shape as a function of $T$. A theory is developed to account for the experimental results using analytical expressions for the contributions from LA, TO, LO, and TA phonons. Coupling of states exactly at the \ensuremath{\Gamma} and $L$ points is forbidden by symmetry for the latter two phonon modes, but becomes allowed for nearby states and can be accounted for using wave-vector dependent deformation potentials. Excellent agreement is obtained between predicted and observed photoluminescence line shapes. A decomposition of the predicted signal in terms of the different phonon contributions implies that near-room temperature indirect optical absorption and emission are dominated by ``forbidden'' processes, and the deformation potentials for allowed processes are smaller than previously assumed.

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