Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 中红外发射器中的辐射载流子寿命

Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 半导体有望实现大规模、单片式的中红外光子学和光电子学。然而，尽管已成功演示了多种基于 Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 的光电探测器和发射器，该材料体系的关键基本特性仍有待充分探索和理解。特别是，关于材料特性在控制复合机制中的作用及其对载流子寿命的影响，人们知之甚少。实际上，评估后者充满了巨大的不确定性，而研究窄带隙半导体的困难又加剧了这种不确定性。为了缓解这些限制，我们在此证明，辐射载流子寿命可以通过直接的激发功率和温度依赖的光致发光测量获得。为此，我们引入了一个理论框架，通过结合 k.p 理论的能带结构计算和包络函数近似 (EFA) 来估算吸收和自发发射，从而模拟测量的光谱。基于此模型，研究了在 $-1.3\%$ 双轴压应变下 Ge$_{0.83}$Sn$_{0.17}$ 样品的温度依赖发射。模拟光谱准确地再现了测量数据，从而能够评估稳态辐射载流子寿命，在 0.9 kW/cm$^2$ 的激发功率下，温度在 10 到 300 K 之间时，寿命在 3-22 ns 范围内。对于 0.07 kW/cm$^2$ 的较低功率，在 4 K 时获得的寿命值为 1.9 ns。这种从简单发射光谱获得辐射寿命的方法将为改进基于 Ge$_{1-x}$Sn$_x$ 器件的设计和建模提供有价值的输入。