Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию новых оптических явлений, связанных с внутризонными оггпгческими переходами свободных носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых квантово-размерных структурах в неравновесных условиях, в частности в условиях разогрева и дрейфа свободных носителей заряда электрическим полем, и их применению для создания новых оптоэлектронных приборов.
Актуальность темы диссертации. Исследование свойств систем, выведенных из состояния термодинамического равновесия, представляет значительный интерес. В этом случае могут быть изучены свойства системы, не проявляющиеся в равновесных или в близких к равновесным условиях. Газ свободных электронов в полупроводниках является очень удобным объектом для исследований в неравновесных условиях. Привести его в неравновесное состояние можно, например, прикладывая к полупроводнику сильное электрическое поле, которое в определенных условиях увеличивает среднюю энергию электронов, "разогревает" их. Кинетические свойства горячих электронов исследованы достаточно подробно [1], получено значительное количество информации о свойствах горячих электронов, параметрах зонной структуры, особенностях взаимодействия горячих электронов с решеткой. Разработан ряд новых приборов, работа которых связана с разогревом электронов, среди которых можно упомянуть диод Ганна, лавинно-пролетные и резонансно-туннельные диоды. Оптические свойства горячих электронов в объемных полупроводниках изучены заметно слабее. Между тем, оптические исследования часто оказываются более информативными по сравнению с исследованием кинетических свойств. Кроме того, оптические явления, возникающие благодаря разогреву и дрейфу носителей заряда или при других неравновесных условиях, интересны с физической точки зрения и могут быть использованы для создания новых приборов оптоэлектроники. С практической точки зрения малая инерционность явлений разогрева, определяемая обычно временем релаксации энергии (10"' н- \0'и с) привлекает возможностью создания скоростных электрооптических приборов. Так, например, известен малоинерционный модулятор инфракрасного излучения, основанный на межподзонных переходах горячих дырок в германии. Обнаружение в 80-х годах стимулированного излучения при разогреве дырок в германии привело к активизации исследований оптических свойств горячих носителей заряда.
Физика полупроводников развивается в последние годы главным образом как физика полупроводниковых структур с пониженной размерностью. Большой интерес к оптическим исследованиям наноструктур вызывается как принципиально новыми физическими явлениями, которые можно наблюдать в квантово-размерных структурах, так и возможностью создания новых
оптоэлсктронных приборов (фотодетекторов, модуляторов, квантовых генераторов). Оптические свойства наноструктур изучаются достаточно давно и интенсивно, однако к началу настоящего исследования было очень мало работ, посвященным изучению влияния греющего электрического поля на эти свойства. Опыт исследований оптики горячих электронов в объемных полупроводниках позволяет надеяться на получение интересных как с научной, так и с практической точки зрения результатов и при изучении оптігческих свойств юрячих электронов в системах с пониженной размерностью.
Актуальной задачей полупроводниковой оптоэлектроники является разработка новых источников излучения инфракрасного диапазона. Оптические исследования горячих носителей заряда открывают такую возможность. Одним из достаточно мощных и удобных источников дальнего инфракрасного (X = 70...210 мкм) излучения является лазер на горячих дырках в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях [2]. Большая ширина полосы излучения (АМ\~ 0.2) ограничивала возможности его практического использования. Это определяло актуальность дальнейших исследований, направленных на сужение полосы генерации и оптимизацию параметров такого лазера.
Разработка инжекционных лазеров среднего инфракрасного (СИК, X = 4...20 мкм) диапазона, основанных на межзонных электронно-дырочных переходах, затруднена по причинам фундаментального характера. Основная из них состоит в увеличении интенсивности оже-рекомбинации с уменьшением ширины запрещенной зоны. В связи с этим в последние годы интенсивно исследуется возможность создания СИК лазеров, основанных на межподзонных (внутризонных) оптических переходах свободных электронов в квантовых ямах. К настоящему времени среди многочисленных вариантов межподзонных лазеров реализованы только два. Это униполярный квантовый каскадный лазер [3] основанный на идее, предложенной Р.Ф.Казариновым и Р.А.Сурисом и униполярный фонтанный лазер с межподзонной оптической накачкой [4]. К сожалению, изготовление каскадного лазера требует использования весьма сложной технологии, а необходимость мощной оптической накачки на длине волны, близкой к длине волны генерации, ограничивает возможность практического использования фонтанного лазера, и задача исследования эмиссии излучения из наноструктур и разработки новых типов лазеров на межподзонных переходах неравновесных электронов остается по-прежнему актуальной.
Эти факторы в значительной степени определили выбор темы настоящей работы.
Основные задачи работы можно разделить на пять групп: 1. Обнаружение и исследование новых электрооптических эффектов, связанных с разогревом и дрейфом свободных носителей заряда в объемных
полупроводниках (на примере Ge и InSb):
влияние виртуальных межзонных и межподзонных переходов электронов на показатель преломления полупроводника и его анизотропито в условиях разогрева и дрейфа электронов;
увлечение света током дырок;
межподзонное поглощение инфракрасного излучения теплыми дырками.
2. Исследование генерации стимулированного излучения лазера на
межподзонных переходах горячих дырок в скрещенных электрическом и
магнитном полях:
расчет функций распределения горячих дырок по состояниям и коэффициента межлодзонного усиления света с помощью решения уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц;
расчет поглощения света при внутри- и межподзонных непрямых переходах горячих дырок;
определение предельной рабочей температуры лазера в конфигурациях приложенных полей Фойгта и Фарадея;
экспериментальное исследование коэффициента усиления лазерной среды в конфигурациях Фойгта и Фарадея;
получение узкополосного режима генерации с возможностью перестройки длины волны излучения лазера.
3. Демонстрация возможности практического применения узкополосного
лазера на горячих дырках для исследования полупроводников и наноструктур:
исследование циклотронного резонанса при разогреве электронов в InSb.
исследование электрического пробоя мелкой примеси;
изучение внутриподзонного поглощения излучения дальнего инфракрасного диапазона в квантовых ямах GaAs/AlGaAs в равновесных условиях и при разогреве двумерных электронов.
4. Исследование новых электрооптических явлений в гетероструктурах с
квантовыми ямами:
модуляция поглощения и двулучепреломления при межподзонных переходах двумерных электронов в продольном электрическом поле в простых прямоугольных квантовых ямах с разным типом селективного легирования;
модуляция поглощения и двулучепреломления в продольном электрическом поле в туннельно-связанных квантовых ямах;
фотоионизация квантовых ям в сильном поперечном электрическом поле;
внутриподзонное поглощение излучения в квантовых ямах при непрямых переходах горячих двумерных электронов с рассеянием на фононах, примесях и несовершенствах интерфейса.
5. Рассмотрение некоторых новых методов генерации излучения в
полупроводниковых наноструктурах:
спонтанная эмиссия излучения дальнего инфракрасного диапазона при непрямых внутризонных переходах горячих двумерных электронов;
спонтанная эмиссия инфракрасного излучения из лазерных структур с квантовыми точками и квантовыми ямами при токовой накачке;
исследование возможности создания лазеров на внутризонных (межуровневых и межподзонных) переходах носителей заряда в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами.
Научная новизна работы состоит в обнаружении новых электрооптических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, разработке моделей, описывающих полученные результаты, и в экспериментальной проверке высказанных ранее теоретических предположений. В результате исследований получен значительный объем новых данных. В первую очередь необходимо отметить следующие результаты:
-
Подробно изучено поглощение при межподзонных переходах теплых дырок в германии, доказана неприменимость двухтемпературного приближения для функции распределения теплых дырок путем нахождения точного вида функции распределения;
-
Экспериментально обнаружены и исследованы новые электрооптические эффекты, связанные с разогревом и дрейфом дырок, проведен теоретический анализ вклада дырок в анизотропию тензора диэлектрической проницаемости;
-
Экспериментально обнаружено и детально изучено новое явление -влияние виртуальных межзонных переходов горячих электронов на анизотропию диэлектрической проницаемости в антимониде индия;
-
Экспериментально обнаружен и исследован эффект увлечения фотонов током дырок в германии;
-
Развита методика расчета коэффициентов усиления и поглощения длинноволнового поляризованного света и функций распределения горячих тяжелых и легких дырок по импульсам, основанная на решении системы уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях;
-
Впервые прямым методом получена величина коэффициента усиления света и определена предельная рабочая температура лазера на горячих дырках в германии для конфигураций полей Фойгта и Фарадея;
-
Обнаружены и исследованы электрооптические эффекты, связанные с межподзонными переходами разогретого двумерного электронного газа в квантово-размерных структурах различного типа: с простыми прямоугольными квантовыми ямами, легированными в области ямы и барьера; с туннельно-связанными квантовыми ямами.
-
Впервые экспериментально исследовано внутриподзонное поглощение и эмиссия излучения горячими электронами в квантовых ямах в продольном
электрическом поле, построена модель, позволяющая определить вклад основных механизмов рассеяния двумерных электронов в поглощение и эмиссию излучения;
-
Впервые экспериментально обнаружено спонтанное излучение среднего инфракрасного диапазона из структур с квантовыми точками и квантовыми ямами при токовой накачке;
-
Предложен ряд новых конструкций лазеров среднего инфракрасного диапазона на межуровневых и межподзонных переходах носителей заряда в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами.
Практическая ценность работы определяется тем, что в результате проведенного цикла экспериментальных исследований, расчетов и анализа полученных данных получена информация о параметрах распределений горячих носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, деталях зонного спектра, механизмах рассеяния свободных носителей заряда. Изученные явления могут быть основой для разработки электрооптических приборов нового типа.
Разработан ряд новых методик:
методика экспериментального анализа вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, связанной со свободными носителями заряда в сильных электрических полях;
методика измерения линейных по полю поправок для вкладов' в тензор диэлектрической проницаемости на основе интерферометра1 Маха-Цендера;
методика селекции продольных мод в лазере терагерцового диапазона на горячих дырках в германии с использованием внутрирезонаторных интерферометров Фабри - Перо;
методика определения параметров лазеров на горячих дырках в германии при различных температурах и в различных конфигурациях эксперимента;
методика исследования электрооптических явлений на горячих электронах в полупроводниковых наноструктурах;
методика исследования спектров спонтанного излучения среднего ИК диапазона в квантово-размерных структурах.
Разработаны новые электрооптические приборы на неравновесных носителях заряда:
малоинерционный (т=10"пс) широкополосный (/"= 103-И0Ш Гц) модулятор инфракрасного излучения с большой глубиной модуляции (М= 7 %) на теплых дырках;
узкополосный лазер дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии с возможностью перестройки длины волны излучения;
предложен ряд конструкций лазеров среднего инфракрасного диапазона на структурах с квантовыми ямами и квантовыми точками. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально наблюдаемое изменение поглощения излучения в
дырочном германии в слабых греющих электрических полях, связанное с
межподзонными переходами дырок, может быть с достаточной точностью
описано с помощью функции распределения (ФР) теплых дырок, найденной из
кинетического уравнения Больцмана.
2. Экспериментально обнаруженное новое явление - возрастание
индуцированной электрическим полем анизотропии диэлектрической
проницаемости полупроводника на свободных носителях заряда вблизи края
собственного поглощения может быть объяснено вкладом виртуальных
переходов валентных электронов в показатель преломления.
-
Обнаруженное экспериментально изменение показателя преломления дырочного полупроводника в греющем электрическом поле связано с разогревом и дрейфом дырок и сложной структурой валентной зоны. Основной вклад в эффект дают виртуальные межподзонные переходы горячих дырок.
-
Экспериментально обнаружен эффект увлечения света током дырок (линейная по току добавка к показателю преломления дырочного полупроводника).
-
Расчеты, основанные на использовании уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц, качественно адекватно описывают основные характеристики горячих дырок и свойства инверсной среды в скрещенных электрическом и магнитном полях.
6. В лазерах на горячих дырках конфигурация полей Фойгта по
сравнению с конфигурацией Фарадея является более предпочтительной по
интенсивности излучения, интервалу рабочих температур и диапазону полей
генерации.
7. Узкополосный лазер на горячих дырках в германии, пригодный для
практических научных исследований полупроводников, может быть создан
методами квантовой электроники терагерцового диапазона.
8. Значительное влияние на спектральное положение линии
межподзонного поглощения в квантовых ямах селективно легированных
гетероструктур оказывают эффекты пространственного заряда, возникающего
при селективном легировании. Продольное электрическое поле, вызывая
разогрев двумерных электронов, приводит к их переносу в реальном
пространстве и смещению спектрального положения пика.
9. Изменение межподзонного поглощения в туннельно-связанных
квантовых ямах специальной формы объясняется перераспределением
электронов между подзонами размерного квантования и переносом электронов
в реальном пространстве.
10. Экспериментально наблюдаемое уменьшение поглощения излучения
дальнего инфракрасного диапазона в квантовых ямах при 7=.4.5-К в
продольном электрическом поле связано с внутриподзонными непрямыми
переходами горячих электронов с преобладающим рассеянием на
шероховатостях интерфейсов и ионизованных примесях.
-
Спонтанное излучение дальнего инфракрасного (терагерцового) диапазона в прямоугольных квантовых ямах в сильном продольном электрическом поле вызвано непрямыми внутриподзонными переходами горячих электронов.
-
Спонтанное излучение среднего инфракрасного диапазона из лазерных диодных структур с квантовыми точками связано с внутризонными межуровневыми переходами носителей заряда в квантовых точках.
13. Возможно создание инжекционного лазера среднего инфракрасного
диапазона, основанного на межподзонных переходах электронов в квантовых
ямах специальной формы при одновременной генерации излучения ближнего
инфракрасного диапазона либо при резонансной оже-рекомбинации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях: VI Всесоюзный симпозиум "Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы" (Львов, 1983); V, VII Всесоюзные симпозиумы "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Вильнюс, 1983; Паланга, 1989); X Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Минск, 1985); II Всесоюзная школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988); XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); 16th International Conference on Infrared and Submillimeter Waves (Lausanne, 1991); 1991, 1995, 1997 International Semiconductor Research Symposium (Charlottesville, 1991, 1995, 1997); 1-4 Российские конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997; Новосибирск, 1999); 8*, 9Ш International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Oxford, 1993; Chicago, 1995); Conferences on Laser and Electro-Optics (Anaheim, 1994, 1996); 2-7 Intern. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg, 1994-1999); 7th, 9h —11lh International Conference on Superlattices, Microstructures and Microdevices (Canada, 1994; Liege, 1996; Lincoln, 1997; Hurgada, 1998); Conference on Laser and ElectroOptics CLEO/Pacific Rim'95 (Japan, 1995); 9th, 10lh Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1995, 1998); 23rd, 24lh International Conference on the Physics of Semiconductors (Berlin, 1996; Jerusalem, 1998); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (St. Petersburg, 1996); 15u\ 16lh IEEE International Semiconductor Laser Confer. (Haifa, 1996; Nara, 1998); European Conference on Lasers and Electro-Optics (Glasgow, 1998); 11 Intern. Confer, on Nonequilibrium Carrier
Dynamics in Semiconductors (Kyoto, 1999); 5l International Conference on Intersubband Transitions in Quantum Wells (Bad Ischl, 1999); 13m International Conference on Low-Dimensional Structures and Devices (Antalya, 1999).
Публикации. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 119 научных работ в ведущих отечественных и международных журналах, а также в трудах конференций. Основное содержание отражено в 41 работе. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 244 страниц, включая 96 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 228 наименований.
