OPTICAL OBSERVATION OF THE MAGNETIC FREEZEOUT EFFECT IN GaSb

Résumé
On démontre que les expériences de luminescence sont un moyen direct et sûr pour étudier des propriétés des bandes de donneurs en champ magnétique fort. Les changements de leur énergie d'ionisation, de leurs fonctions d'ondes et du recouvrement de celles-ci sont observés d'une manière plus directe que dans les expériences de transport, par exemple, les expériences d'effet Hall où l'on observe seulement de «magnetic freezeout» des charges conductrices. Les échantillons de GaSb du type-p, non dopés, possèdent des accepteurs avec des énergies d'ionisation comprises entre 13 et 100 meV. Les spectres de luminescence des différents accepteurs sont présentés à basse température. Ces spectres ont été obtenus en fonction de l'intensité d'excitation et du champ magnétique jusqu'à 100 kG. Les lignes d'accepteurs se déplacent vers les plus hautes énergies sous l'action du champ magnétique et se dédoublent avec un écart de 4 meV à 100 kG. Ce déplacement est presque le même pour les différents accepteurs dans le même échantillon, mais dépend de la quantité de donneurs et accepteurs. Lorsqu'on augmente l'excitation, les lignes se déplacent vers les plus hautes énergies. Toutes les transitions d'accepteur étudiées, qu'on nomme les lignes A, B, C, E et F, sont des transitions donneur-accepteur. Le splitting des bandes paires, sous champ magnétique, est traité à l'aide du spin-splitting des donneurs et une relocalisation de la bande des donneurs qui recouvre la queue de la bande de conduction. On sait que cet effet entraîne le «magnetic freezeout» des charges conductrices dans les expériences du transport. Le déplacement, avec le champ magnétique, de la composante la plus forte des lignes de luminescence est expliqué par ces deux effets et par la théorie de Larsen des niveaux de donneurs dans un champ magnétique.

Abstract
It is demonstrated here, that luminescence experiments provide a direct and reliable tool to investigate the properties of donor bands in very high magnetic fields. The change of their binding energy, wavefunction and overlap is much more directly reflected in these experiments than in transport measurements, as e. g. Hall effect experiments, where only the magnetic freezeout of charge carriers can be observed. Undoped p-type GaSb exhibits acceptors with ionization energies between 13 and 100 meV. Low temperature luminescence spectra are reported involving transitions to the different acceptors. The excitation intensity dependence and magnetic field dependence up to 100 kG of these spectra were investigated. With increasing magnetic field the acceptor lines shift to higher energies and split by about 4 meV at 100 kG. The shift is nearly independent of the acceptor ionization energy and depends only on the concentration of the impurities. With increasing excitation the lines shift to higher energies. The A, B, C, E and F lines are identified to be donor-acceptor transitions. The splitting of the lines in a magnetic field is discussed in terms of spin-splitting of the donors and a relocalization of the donor-impurity band which has merged with conduction band tails. This effect is known to cause the magnetic freezeout of charge carriers in transport experiments. The magnetic field shift of the dominating low energy component of the recombination lines is explained by these two effects and by Larsen's theory of donor levels in a magnetic field.