Infrared radiation from breakdown plasmas in Si, GaSb, and Ge: Evidence for direct free hole radiation

The luminescence during avalanche breakdown of Si, GaSb, and Ge p–n-junctions is measured in the energy range 0.5Eg < hv ≦ Eg. As has been shown in most other group IV and III–V semiconductors, these spectra exhibit bands which extend to energies far below and above Eg with a maximum near 0.8Eg, and which are essentially independent of the lattice temperature. These spectra can be explained by direct radiative transitions between different valence bands. This is shown explicitly for Si and GaP. The theory of Baraff is used for the calculation of hot carriers distribution functions. The parameters of this function are derived from photo-current multiplication data. Theoretical expressions for indirect intraband transitions of hot carriers (i.e. “bremsstrahlung”) yield emission bands, which do not contain the experimentally observed low energy decrease of the spectra. In highly efficient direct gap materials and in efficient GaP, additional lines caused by usual minority carrier recombination are observed at low temperatures. Im Spektralbereich 0,5Eg<hv≦Eg wird die Lumineszenz von Si, GaSb- und Ge-Dioden beim Lawinendurchbruch gemessen. So wie es auch bei den meisten anderen Halbleitern der Gruppe IV und III–V beobachtet wurde, zeigen diese Spektren Banden mit einem Maximum in der Nahe von 0,8Eg. Sie erstrecken sich zu Energien weit unterhalb und oberhalb von Eg und sind im wesentlichen unabhangig von der Gittertemperatur. Diese Spektren konnen durch direkte strahlende Ubergange zwischen verschiedenen Valenzbandern erklart werden. Explizit wird das am Beispiel Si und GaP gezeigt. Zur Berechnung der Verteilungsfunktionen der heisen Ladungstrager wird die Baraffsche Theorie benutzt, deren Parameter aus Messungen der Photostrommultiplikation stammt. Theoretische Ausdrucke fur indirekte Intrabandubergange von heisen Ladungstragern (d. h. “Bremsstrahlung”) ergeben Emissionsbanden, die den im Experiment beobachteten niederenergetischen Abfall der Spektren nicht enthalten. Zusatzliche Linien, die durch gewohnliche Minoritatstragerrekombination verursacht werden, treten in hocheffizienten Materialien mit direktem Bandabstand und in lichtstarkem GaP bei tiefen Temperaturen auf.