Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время интенсивно проводятся исследования процессов, связанных с динамическим разогревом носителей заряда в полупроводниках. Характер движения носителей в большей мере определяется конфигурацией приложения электрических (Е) и магнитных (Н) полей. От взаимной ориентации Е и Н полей функция распределения носителей может претерпевать кардинальные изменения, сильно деформируясь в пространстве квазиимпульсов.
Недавние исследования этих неравновесных процессов показали, что не только разогрев носителей, но и деформация их функции распределения вызывает появление в полупроводниках инверсных распределений горячих носителей заряда, представляющих не только научный, но и практический интерес. Такие свойства системы горячих носителей заряда привели к созданию различных типов квантовых генераторов электромагнитного излучения в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом (СБММ) диапазонах волн [1,2]. Успех этот связан в первую очередь с источниками электромагнитного излучения, основанные на инверсии в распределении и динамической отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) горячих дырок в германии. Эти источники стимулированного излучения на горячих носителях в p-Ge перекрыли почти всю область спектра от 80мкм до Змм между традиционными полупроводниковыми ИК-лазерами и СВЧ-диодами.
Продолжение исследований в этом направлении связано с целью найти возможности улучшения характеристик уже созданных подобных квантовых генераторов на р - Ge. Так, как все эти источники стимулированного излучения на p-Ge обладают довольно низким КПД~?7 (П~ 0,5%) [3]. Кроме того, наблюдаются также некоторые существенные расхождения между экспериментом и теорией, поэтому актуальной задачей является углубленное изучение физических процессов лежащих в основе этих источников поиск новых возможностей улучшения их параметров.
Ввиду того, что все типы квантовых генераторов на горячих носителях заряда в p-Ge неразрывно связаны с вырождением валентной зоны в точке р = 0, различием плотности эффективных масс подзон,а также выраженной анизотропией эффективной массы тяжелых дырок, является существенным проведение исследований по выявлению влияния этих факторов на инверсное распределение горячих дырок в германии. Эффективным способом воздействия на них является одноосная упругая деформация (ОУД) кристалла, которая существенно меняет энергетический спектр носителей, позволяет воздействовать на: вероятность межподзонного рассеяния,
4 функцию распределения и высокочастотную проводимость горячих дырок Исследования при ОУД создают предпосылки для обоснования физических моделей лежащих в основе работы этих активных приборов и способствуют улучшению и> параметров.
К моменту постановки нами настоящей задачи в литературе отсутствовалі данные по исследованию эффектов динамического разогрева дырок в германии е условиях ОУД кристалла. Известные автору экспериментальные работы касались, е основном, исследований характеристик инверсии в зависимости от значений Е и h полей, и от кристаллографической ориентации образцов. Были опубликованы также данные по исследованию гальваномагнитных эффектов и циклотронного резонансе (ЦР) в сильных E-LH полях и теоретические представления об эффекта) динамического разогрева дырок в Ge.
Многочисленные исследования как у нас, так и за рубежом, проведенные і последнее время по выявлению влияния ОУД на излучение горячих дырок в Ge подтвердили правильность выбора данного направления. В этих работах был< показано, что ОУД p-Ge уменьшает пороговые значения Е и Н полей, при которы: возникает индуцированное излучение [4], расширяет спектр генерации [5], увеличивав интенсивность излучения на 2-ї-3 порядка [4]. Авторы работы [6] наблюдали сильньп рост интенсивности излучения из р - Ge при Р > 6 кБар и Р // Е // [111] без воздействи) магнитного поля.
В последнее время как у нас, так и за рубежом, все большее вниманиі уделяется разработке твердотельных источников излучения с более ВЫСОКИМ1 параметрами, с использованием других полупроводниковых материалов - n-Si p-GaAs, p-lnSb, алмаза, карбида кремния, а также различных полупроводниковы структур - сверхрешетки, структур с квантовыми ямами и др. Кроме того, появился ря, идей, позволяющих говорить о том, что помимо уже известных эффектов могут быт использованы и другие явления в плазме полупроводников, приводящие к инверснып распределениям и к ОДП в субмиллиметровой области спектра. Эти исследования і реализация идей могут привести к получению генерации при более высоки температурах Т>77К, а также без использования магнитного поля. В связи с этиг исследования в данном направлении представляют не только научный, но і практический интерес, обусловленный возможностью создания новых ТИПОІ полупроводниковых лазеров и мазеров, приемлемых для широкого использования.
Цель настоящей работы: экспериментальное исследование свойств системь горячих дырок в германии в сильных электрическом и магнитном полях при ОДНООСНОІ
упругой деформации кристалла, исследование механизма впервые обнаруженного нами субмиллиметрового излучения в неравновесной электронно-дырочной плазме (ЭДП) в кремнии, образованной диссоциацией фотовозбужденных экситонов в сильном электрическом поле.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые методом регистрации спонтанного Дальнего инфракрасного излучения
(СДИКИ) исследованы эффекты динамического разогрева дырок германия в
условиях ОУД кристалла. Обнаружено вариантное изменение интенсивности
СДИКИ в зависимости от конфигурации направлений прикладываемых
электрического поля и давления. Показано, что ОУД существенно влияет на
энергию излучательных оптических межподзонных переходов 2-»1, вследствие
перемещения области постоянных энергий 2(Р) - \ (Р) = ?га> относительно функции распределения дырок в фазовом пространстве.
-
Исследованы эффекты системы горячих дырок Ge в сильных Е±Н полях при ОУД кристалла. Обнаружено, что перезаселенность подзоны-2 существенно зависит от конфигурации воздействия Е, Н, Р полей, которая определяет расположение области смешивания состояния валентных подзон при ОУД в импульсном пространстве относительно плоскости расположения главной траектории дырок.
-
Впервые импульсным методом «тока Холла» исследованы гальваномагнитные характеристики системы горячих дырок Ge, получены экспериментальные значения соотношения концентраций дырок в легкой и тяжелой подзонах, в зависимости от величин Е и Н для температур 4.2К и 77К. Обнаружено существенное влияние ОУД на гальваномагнитные характеристики.
-
Исследовано влияние ОУД на спектры циклотронного резонанса горячих дырок в скрещенных Е и Н полях. Деформация и электрическое поле приводят к уширению и смещению линии ЦР подзоны-2 в сторону больших значений магнитного поля. Показано, что эффект накопления дырок в подзоне-2 в сильных EJ.H полях при ОУД существенно зависит от межподзонного туннелирования дырок.
-
Исследованы динамические эффекты в неравновесной системе электронно-дырочная плазма/экситоны в кремнии при ударной ионизации экситонов в импульсном электрическом поле при гелиевых температурах. Обнаружена интенсивная генерация СБММ излучения (А=80-120мкм) неравновесной ЭДП. Предложен механизм объясняющий генерацию СБММ излучения, заключающийся
в испускании оптических квантов при переходе свободных носителей на экситонньп уровни.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны методики исследования системы горячих носителей заряда і полупроводниках при ОУД кристалла.
-
Обнаружено сильное влияние ОУД на интенсивность генерации ДИКИ горячи: дырок в германии. Предложена оптимальная конфигурация приложения Е, Н, I полей, существенно улучшающая параметры источника индуцированной излучения.
-
Продемонстрирована возможность лазерной генерации СБММ излучения бе использования магнитного поля в диапазоне Л=80-120мкм на оптически толсты: образцах кремния, представляющих собой резонаторы с полным внутренне отражением. На активный генератор СБММ излучения получен патент за N 2084996, 1997г.
Основные защищаемые положения.
-
Установлено, что упругая деформация кристалла приводит к сильному изменениь эффектов динамического разогрева дырок германия в сильных Е и Н полях і существенно влияет на спонтанное и индуцированное ДИКИ, обусловленньк межподзонной инверсией дырок.
-
Показано, что при одноосной деформации на межподзонную инверсию горячи: дырок в Ge существенно влияет относительное расположение в квазиимпульснои пространстве точек смешивания состояний подзон и траекторий носителей которые определяются конфигурацией приложения Е, Н, Р полей.
-
Впервые обнаружена интенсивная генерация СБММ излучения (Л=80-120мкм) і неравновесной ЭДП кремния при диссоциации фотовозбужденных экситонов і сильном электрическом поле, что привело к созданию источника индуцированной излучения без использования магнитного поля.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работь докладывались на VII Всесоюзном симпозиуме «Плазма и неустойчивости і полупроводниках» (Паланга, 1989), на 1-ой Российской конференции по физикі полупроводников (Н. Новгород, 1993), на международной конференции "Фазовьк переходы и нелинейные явления в конденсированных средах" (Махачкала, 2000), < также на семинарах ИФ ДНЦ РАН.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в трудах вышеперечисленных конференций и в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 154 страниц машинописного текста, в том числе 4 таблицы, 57 рисунков и список литературы, включающий 157 наименований.
