Введение к работе
':;: . _, j
ссеїі :.^'.;: Актуальность проблемы. Появление интенсивных источников когерентного монохроматического излучения в широком интервале частот от ближнего ультрафиолетового до видимого и инфракрасного диапазонов обусловило за последние два десятилетия бурное развитие теоретических и экспериментальных исследований широкого круга нелинейных оптических явлений в различных средах. Изучение этих явлений приводит к возможности наблюдения большого класса новых волновых эффектов, представляющих собой результат сложных нелинейных процессов взаимодействия волн и частиц в системе (уяе сегодня для них найдены многочисленные практические применения). В то же время ряд важных результатов нелинейной оптики относится к таким характеристикам вещества, как энергетическая зонная структура, плотность состояний, дисперсионные характеристики и т.д. Именно этой стороной вопросов нелинейная оптика стыкуется с такой областью физики, каковой является физика конденсированных сред.
Развитие современной науки и техники требует дальнейшего и всестороннего изучения свойств конденсированных сред. Среди них особое место занимают полупроводники, на основе которых создан ряд важных элементов, приборов и устройств от транзисторов до полупроводниковых квантовых генераторов. Все возрастающие потребности практического использования ставят перед исследователями новую проблему - выявление и изучение путей контролируемого воздействия на физические свойства материала с помощью управления законом дисперсии. Новые физические свойства, лежащие в основе практического применения полупроводников обусловлены, в конечном счете, энергетическим спектром носителей. Наряду с традиционными методами энергетическим спектром полупроводника можно управлять, воздействуя на него интенсивными потоками излучения и/или резко ограничивая размеры образца.
Настоящая работа охватывает круг резонансных оптических явлений, возникающих в пространственно ограниченных полупроводниках при воздействии на них полей электромагнитного излучения, в основном, большой интенсивности. Примерами пространственно
ограниченных полупроводников (систем пониженной размерности) служат тонкая квантовая пленка, нип>, тонкопленочная гетерострукту-ра, сверхрешетка, приповерхностная область полупроводника, система металл-диэлектрик-полупроводник. В таких системах у носителей сохраняются лишь две или одна степени свободы, что приводит к появлению новых физических явлений, в принципе, отсутствующих в массивном образце. Наиболее яркими из них являются выявление толщинных осцилляции ряда характеристик в явлениях переноса, а также обнаружение квантования холловской проводимости, использованной для создания эталона Ома и более точного определения постоянной тонкой структуры.
В настоящее время интерес к электронным системам пониженной размерности не ослабевает и это обусловлено стечением нескольких обстоятельств: необходимостью более подробного изучения и углубленного понимания физических явлений, протекающих в них; развитием методов реализации различных систем, позволяющих получать структуры с недоступной ранее точностью; перспективностью практического использования новых явлений, обнаруженных в таких системах.
Значительное место в вопросе изучения структуры энергетических уровней электронных систем пониженной размерности занимают оптические методы. Квантовые размерные эффекты обнаружены в оптических свойствах ряда материалов, в том числе ХирБ, Р@1ё , G/Тё ,ЄїаД?' а также в системе 6q/Js- (оа,.ж ЛХА& Для изучения электронных состояний в квантовых пленках, гетеропереходах и многослойных сверхрешетках успешно применяются методы лазерного зондирования, люминесценции и резонансного комбинационного рассеяния. В квантовых пленках и сверхреветках наблюдаются также интересные оптические явления, обусловленные кулоновсюш взаимодействием носителей. Эффекты квантования в узких потенциальных ямах существенным образом сказываются на свойствах лазерных структур (лазеры, содержащие квантово размерные слои - КРС лазеры). Гетероструктуры с КРС могут составить основу развития новой и более совершенной технологии электронных приборов, а также создания интегральных электронных и оптоэлектронных схем.
Круг вопросов,- затронутых в работе, касается резонансной перестройки электронных состояний пространственно ограниченных
полупроводников в поле ИЭВ в состоянии насыщения, исследования особенностей прохождения и поглощения интенсивных и слабых электромагнитных волн в различных условиях (в том числе, при наличии размерного квантования, в присутствии внешних электрических, магнитных полей, при наличии кулоновского взаимодействия носителей), многофотонной перестройки электронных состояний при наличии нерезонансных переходов. В работе рассмотрены такие нелинейные явления в поле встречных или пересекающихся ИЭВ, как вынужденный энергообмен между ними, самодифракция, гетерезисное отражение и четырехволновое взаимодействие волн в массивных и пространственно ограниченных полупроводниках. Рассмотрен ряд оптических явлений в периодических полупроводниковых структурах -сверхрешетках, обусловленных кулоновским взаимодействием носителей и изучены особенности поверхностных поляритонов в них.
Вышеизложенное обосновывает актуальность проблемы, которая помимо самостоятельного теоретического интереса с точки зрения развития методов исследования различных резонансных оптических явлений, заключается в возможности их применения при экспериментальном изучении физических свойств пространственно ограниченных систем, а также в перспективе приложений в твердотельной электронике.
Цель работы - построение теории оптических явлений при резонансном воздействии интенсивных и слабых электромагнитных волн на пространственно ограниченные полупроводники (квантованная пленка, нить или полупроводник в квантующем магнитном поле, плоскопараллельные резонаторы, заполненные полупроводником, полупроводниковые структуры - сверхрешетки) и изыскание возможностей управления их оптическими характеристиками с помощью вариации параметров внешних полей и среды.
Научная новизна. В диссертации новыми, прежде всего, являются следующие результаты:
1. Предсказание полевой диэлектрической щели в спектре ква
зичастиц полупроводника пониженной размерности пространства и
ее немонотонная зависимость от характерного размера квантования.
2. Изменение энергетического распределения квазичастиц раз
мерно квантованных полупроводников в поле ИЭВ, приводящее к эффек
там подавления, резонансного поглощения и усиления дополни -
тельного слабого поля; сдвиг края экситонного поглощения в область больших или меньших частот в поле ИЭВ в "трехуровневых" схемах; разрушение состояния насыщения в квантованной пленке в присутствии электрического поля.
-
Возникновение ряда нелинейных эффектов в полупроводниках в поле встречных ИЭВ, таких как эффект многофотонной отдачи, невырожденного обращения волнового фронта в области межзонного перехода, гистерезисное отражение в квантованной пленке при скользящих углах падения.
-
Теория кулоновского взаимодействия, водородоподобных связанных состояний, электронно-дырочной жидкости и поверхностных поляритонов в многослойной сверхрешетке с учетом ее реальных параметров (числа слоев, их толщин, диэлектрических проницае-мостей).
Проведенные теоретические исследования позволили выявить возможности управления оптическими свойствами рассматриваемых систем, объяснить результаты некоторых экспериментов, выявить ряд новых эффектов и закономерностей. Наиболее существенные из них приведены в пунктах "Основные положения" и "Основные результаты и выводы"
Совокупность проведенных исследований можно рассматривать как новое научное направление "Нелинейные резонансные оптические явления в пространственно ограниченных полупроводниках".
Практическая значимость работы. Развитая в диссертации теория резонансных оптических явлений в пространственно ограниченных полупроводниках позволяет углубить наши представления о свойствах рассматриваемых систем и сложных волновых процессах, происходящих в них. В работе указаны возможности управления оптическими и оптоэлектрическиыи свойствами пространственно ограниченных полупроводников и структур с помощью вариации параметров внешних полей и среды. Основные результаты и выводы работы позволяют получить из экспериментальных данных ванную информацию об энергетическом спектре, плотности состояний, матричных элементах рассматриваемых систем по многим оптическим характеристикам и служат основой для изучения и проектирования новых опто-и микроэлектронных элементов, устройств и приборов как, например, насыщающиеся поглотители и фильтры, управляемые детекторы излучения, ограничители и преобразователи частоты, усилители.
Результаты работы представляют практический интерес с точки зрения создания возможности нелинейного энергообмена волн и индуцирования дифракционной решетки, широко используемых в динамической голографии, в лазерах с распределенной обратной связью и в целях осуществления фазового сопряжения при четырех-волновом параметрическом взаимодействии, а также с целью создания бистабильных оптических устройств, используемых для управления параметрами излучения и позволяющих осуществлять в оптическом диапазоне аналоги различных электронных устройств.
Практическая ценность работы определяется также тем, что исследуемые объекты - квантово размерные слои и многослойные структуры успешно применяются для создания полупроводниковых лазеров улучшенных типов (КРС-лазеры с больвими областями перестройки, мощностями, малыми пороговыми токами). Наличие в них связанных состояний и кулоновская перестройка могут заметно сказаться на частоте генерации. Поэтому результаты диссертации могут оказаться полезными при реиении важной задачи перестройки частоты лазера путем, изменения параметров таких структур.
Основные положения, вынесенные на защиту, следующие:
-
Теория энергетического спектра и электронных состояний в поле ИЭВ и полупроводниках с пониженной размерностью и эффект туинелирования в состоянии насыщения.
-
Особенности коэффициента поглощения слабых электромагнитных волн в присутствии ИЭВ в пространственно ограниченных полупроводниках (резонансное поглощение, усиление, провал в спектре поглощения в состоянии насыщения, особенности поглощения вдали от резонанса); анализ экситонного поглощения в присутствии ИЭВ в трехзонной модели пассивного полупроводника и в трехуровневой модели квантованной пленки (предсказание сдвига края экситонного поглощения из-за наличия поля ИЭВ).
-
Теория диэлектрической проницаемости массивного полупроводника и показателя преломления квантованной пленки в поле ИЭВ с учетом нелинейностей всех порядков (предсказаны особенности частотной дисперсии, связанные с рэлеевским рассеянием, образование!! полевой щели в спектре квазичастиц и с четырехфотонным параметрическим процессом).
-
Многофотонные явления в поле ИЭВ при наличии внутризонного движения носителей, приводящее, в частности, к появлению серии осциллирующих провалов в спектре поглощения слабого поля; анализ новых областей прозрачностей и возможности управления поглощением ИЭВ из-за наличия внутризонного движения носителей и внешнего электрического поля в массивном и размерно квантованном полупроводниках.
-
Эффекты вынужденного энергообмена в поле встречных ИЭВ (и связанного с ним явления ускорения электронов и дырок) в массивных и пространственно ограниченных полупроводниках, а также самодифракция пересекающихся ИЭВ в области межзонных переходов.
-
Явление оптической бистабильности и невырожденного обращения волнового фронта в резонаторе Фабри-Перо, заполненном двух-зонным полупроводником и особенности бистабильного отражения и прохождения плоской ТМ-волны в квантованной пленке.
?. Теория кулоновского взаимодействия, водородоподобных связанных состояний (таких, как мелкие примеси, экситоны Ванье-Мотта), электронно-дырочной жидкости и поверхностных поляритонов в многослойной сверхрешетке при учете ее реальных параметров.
Апробация и публикации работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на IX и X Всесоюзных совещаниях по теории полупроводников (Тбилиси, 1978 и Новосибирск, 1980), на ІУ Всесоюзном совещании по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978), на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982), на I и П Всесоюзном семинарах "Электронные процессы в двумерных системах" (Новоси бирск, 1982, 1986), на Всесоюзной конференции "Обращение волнового Фронта лазерного излучения в нелинейных средах" (Минск, 1986), на заседании секции "Физические проблемы некогерентной оптоэлек-троники" Научного совета АН СССР по физике и химии полупроводников (Пахкадэор, 1981), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЕГУ. Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах кафедры физики полупроводников и диэлектриков ЕГУ, кафедры общей физики. ЕрПИ, а также научных семинарах в ФТИ АН СССР, ИФП СО АН СССР, НИФТИ при ГГУ, ИРФЭ АН Арм.ССР и полностью опубликованы в 38 работах, список которых помещен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация изложена на 284 страницах основного машинописного текста (включая 40 рисунков и 4 таблицы), состоит из предисловия, пяти глав с введениями и заключениями. Имеется список литературы, включающий 273 названия цитированных литературных источников.
