Введение к работе
Актуальность темы. Исследование сверхбыстрых процессов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах является в настоящее время одним из актуальных направлений в физике полупроводников. При этом фундаментальные исследования в этой области в значительной степени стимулированы потребностями развития сверхбыстродействующей оптоэлектроники. Обнаружение и исследование физических процессов в полупроводниках, протекающих за пико- и фемтосекундные времена, могли бы способствовать созданию элементной базы оптического компьютера СП, систем для тестирования быстродействия отдельных элементов полупроводниковой электроники [ 2г4 ], разработке новых типов полупроводниковых лазеров для генерации сверхкоротких импульсов [5J и т. д. В то же время развитие экспериментальных методик для.исследования сверхбыстрых процессов, основанное в первую очередь на пико- и фемтосекундной лазерной технике, открывает возможность для новых исследовательских подходов [бт8]. Так, например, стали доступны измерения, сочетающие в себе сверхвысокое разрешение во времени с высокой интенсивностью неразрушающих образец световых импульсов с широкой перестройкой по длинам волн. В частности, это явилось основой исследования сверхбыстрых нелинейных оптических процессов в полупроводниках. Одним из сформировавшихся при этом направлений стало исследование процессов, возникающих в прямозонном полупроводнике при облучении мощным пикосекундным импульсом света. Этому направлению исследований посвящена настоящая диссертация. В
ней суммированы результаты исследований ряда новых обратимых пико-
секундных нелинейных пороговых эффектов, обнаруженных в арсениде
галлия.
Цель работы. Диссертация посвящена исследованию изменений
оптической прозрачности тонких эпитаксиальных слоев GaAs при
облучении мощным импульсом света пикосекундной длительности и с
энергией фотона Ъо> , близкой к ширине запрещенной зоны Е
ex g
невозбужденного образца. В этих условиях фотовозбужденные носители рождаются холодными и можно было бы ожидать, что поглощение возбуждающего света будет продолжаться до тех пор, пока не выравняются заселенности верхнего и нижнего резонансных уровней Спока не установится состояние насыщения). Соответственно просветление должно монотонно возрастать со временем, достигая наибольшего значения к концу возбуждающего импульса, а затем медленно спадать по мере рекомбинации фотовозбукденных носителей.
Однако в наших экспериментах был обнаружен существенно иной характер просветления. Если энергия возбуждающего импульса превышала некоторое порогозое значение, просзетление so время возбуждения сначала росло, а затем спадало за пикосекундные времена. Рост и спад просветления происходили с некоторым запаздыванием по отношению к росту и спаду интенсивности возбуждающего импульса. Через время порядка 10 пс после окончания импульса возбуждения наблюдалось остаточное просветление. Весь спектр этого остаточного просветления, простирающийся от 1,4 до 2 эВ имел универсальный вид, не зависящий ни от энергии импульса, ни от энергии возбуждающих фотонов. Затем просветление медленно спадало ,на временах порядка
- о -времени, спонтанной рекомбинации.
Э^и эксперименты стимулировали дальнейшие исследования, целью которых было выяснение физического механизма обнаруженных явлений. Описание и результаты этих исследований составляют содержание настоящей диссертации.
Научная новизна. Описываемые в диссертации эксперименты были первыми работами, в которых:
- было обнаружено обратимое пороговое просветление арсенида галлия
при облучении пикосекундными импульсами света с энергией фотона
hu , близкой к ширине запрещенной зоны ;
ЄХ g
обнаружено, что обратимое просветление сопровождается аномально быстрым излучением из образца; исследованы свойства этого излучения;
обнаружено, что прссзетление, наблюдаемое через ~ 10 пс после окончания возбуждающего импульса, не зависит ни от энергии фотона Ьи возбуждающего света, ни от энергии импульса V , если она
^Х ЄХ
превышает пороговое значение; дано объяснение универсальному виду спектра остаточного просветления;
показано, что обратимый вклад в просветление при hu * связан с обратимым разогревом носителей заряда и соответствующим увеличением их концентрации; исследован механизм разогрева;
обнаружена и объяснена аномальная ступенчатая зависимость обратимого просветления от энергии кванта возбуждающего света;
исследовано влияние предварительного просветления на обратимое изменение прозрачности.
Практическая ценность. Обнаруженные в наших исследованиях обратимые нелинейные пороговые эффекты могут быть положены в основу создания новых, совместимых с интегральной оптической технологией устройств пикосекундной оптоэлектроники. К их числу можно отнести оптически управляемые модуляторы прозрачности и фотопроводимости, пространственно-временные корреляторы и т. п.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990 г.), V и VII Международных симпозиумах по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс, 1987 г. и Байройт, 1991 г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике С Ленинград, 1991 г.), XV Конгрессе Международной комисии по оптике (Гармиш-Пар-тенкирхен, 1990 г.) , на научных семинарах Херриот-Уаттского университета и университета г. Сент-Эндрюс С оба Великобритания), Белл -лаборатории (Мюррей Хилл, СЖ), на семинаре ИРЭ РАН "Электроника твердого тела" и семинаре при Научном совете РАН по программе "Фундаментальные исследования по созданию оптической сверхвысокопроизводительной машины".
Публикации. По материалам*диссертации опубликовано 12 работ в журналах и в материалах конференций и симпозиумов.
Обьем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 7 глав и Заключения, содержит 164 страницы, включая 62 рисунка и библиографию из 72 названий.