J. Phys. France 42, 133-145 (1981)
DOI: 10.1051/jphys:01981004201013300

Interpretation of luminescence in GaAs : Cr : 0.839 eV and 0.574 eV lines

G. Picoli¹, B. Deveaud¹ et D. Galland<sup>2

1</sup>  Centre National d'Etudes des Télécommunications (LAB/ICM/MPA), 22301 Lannion, France
²  Section de résonance magnétique, DRF, C.E.N.G., 85 X, 38041 Grenoble, France

Abstract
The 0.839 eV luminescence line in GaAs : Cr is generally interpreted as an internal transition in Cr2+ ion (5E-5T 2) on gallium site. This interpretation does not agree with E.P.R. and far-infrared absorption results. White has proposed an interpretation as an excitonic recombination on an isoelectronic deep centre. We propose an alternative explanation in which the 0.839 eV line would be an internal transition in a 5D ion (d4 or d6) in C 3V symmetry. The 0.839 eV line would correspond to a 5E*- 5E transition and the 0.75 eV hump to the 5E*-5A 1 transition. The excited state 5E* is satisfactory described by a crystal field treatment whereas the 5E ground state needs a vibronic description E ⊗ ε in trigonal symmetry. For that state we get a ratio EJT /ħω = 2.2. The fine structure levels I and J respectively at 1.50 and 2.56 meV are interpreted as the first two excited vibronic states (A1 and A2) by including a weak non linear coupling. The fine structure of the ground state 5E is described using an operator Lz submitted to a reduction factor p = 0.03. One électron considerations lead to the interpretation of the 0.839 eV line as a transition related either to a Cr2+ ion (d4) on gallium site coupled to a donor (sixth column) on arsenic site or to a Cr0 ion (d6) interstitial coupled to an acceptor on arsenic site. Moreover, the luminescence line at 0.574 eV is interpreted as the transition corresponding to the capture of a hole on the same centre.

Résumé
La raie de luminescence à 0,839 eV dans GaAs dopé chrome est généralement interprétée comme étant une transition interne à Cr2+ (5 E-5T2) en site substitutionnel. Cette interprétation n'est pas en accord avec les résultats de R.P.E. et d'absorption en infra-rouge lointain. White a proposé une interprétation en termes de recombinaison excitonique sur un centre iso-électronique. Nous proposons ici une autre explication où la raie à 0,839 eV résulte de la transition interne d'un ion 5D (d4 ou d6) en symétrie C3V. La raie à 0,839 eV correspond à la transition 5E- 5E*. L'état excité 5E* est correctement décrit par une théorie de champ cristallin statique tandis que l'état fondamental 5E nécessite une description vibronique E ⊗ ε en symétrie trigonale. Pour cet état, nous obtenons un rapport EJT/ħω = 2,2. Les niveaux de structure fine à 1,50 meV et 2,56 meV sont interprétés comme les deux premiers niveaux vibroniques excités (A1, A2) dont la dégénérescence (accidentelle pour un couplage linéaire) a été levée par un léger effet non linéaire. La structure fine de l'état fondamental E est décrite à l'aide d'un opérateur Lz ayant subi un facteur de réduction p = 0,03. Des considérations à un électron permettent d'interpréter la raie à 0,839 eV comme étant due à un ion Cr2+ (d4) en site gallium couplé à un donneur de la colonne VI en site substitutionnel, ou à un ion Cr0 (d6) en site interstitiel couplé à un accepteur en site arsenic. La raie de luminescence à 0,574 eV est interprétée comme étant due à la capture d'un trou sur le même centre.

PACS
7155E - III-V semiconductors.
7855C - III-V semiconductors.

Key words
chromium -- deep levels -- gallium arsenide -- III V semiconductors -- luminescence of inorganic solids -- photoluminescence