GOUTTES DE PAIRES ÉLECTRON-TROU DANS LES ALLIAGES GeSi

Résumé
L'existence d'une phase condensée d'excitons en gouttes de paires électron-trou est maintenant bien établie dans le Ge et le Si. Nous présentons ici les résultats d'une étude de la luminescence d'un alliage Ge_1-xSi_x (x ~ 0,15) montrant qu'une telle phase condensée peut aussi exister dans ce type de matériau. Vers 10 K le spectre de luminescence observé est constitué par une raie à 940 meV due à l'annihilation radiative d'excitons libres sans émission de phonon, comme le montre une étude de l'absorption optique dans l'échantillon utilisé. A 2 K le spectre d'émission est alors dominé par une raie assez large (5,65 meV) située à plus basse énergie (933 meV), et une analyse de ces résultats montre que cette raie correspond certainement à un processus de recombinaison de gouttes sans émission de phonon. On peut en particulier calculer sa forme dans le modèle des gouttes et nous trouvons un bon accord avec l'expérience pour une densité critique égale à 5 x 10¹⁷ cm^-3. Ces expériences nous ont aussi permis de déterminer l'énergie de liaison des gouttes par rapport aux excitons (- 3 meV) et de montrer que leur température critique est certainement plus grande que dans le Ge. Finalement, nous avons mesuré dans cet alliage la durée de vie totale (4,4 µs) et le rendement radiatif (4,5 %) à 2 K, et ces résultats peuvent être aussi interprétés dans le modèle des gouttes.

Abstract
The existence of a condensed phase of excitons is now well established in Ge and Si. We present here a study of the luminescence of Ge_0.85 Si_0.15 showing that such a phase can also exist in this kind of material. At 10 K about, the luminescence spectrum exhibits a line at 940 meV due to the radiative annihilation of free excitons, as shown by a study of the optical absorption. At 2 K, the emission spectrum is dominated by a broad line (5.65 meV) located at lower energy (933 meV) and an analysis of these data shows that this line corresponds certainly to a recombination process of drops without phonon emission. Its shape calculated in the drop model is in good agreement with experiment for a critical density equal to 5 x 10¹⁷ cm^-3 about. From these experiments, it is also possible to get the binding energy of drops with respect to free excitons (- 3 meV) and to show that their critical temperature is certainly greater than in Ge. Finally, we have measured the total lifetime (4.4 µs) and radiative efficiency (4.5 %) in Ge^0.85Si^0.15 at 2 K, and these results can also be interpreted in the drop model.