2
Оглавление
Введение.................................................................4
Глава I. Горячие носители заряда в полупроводниках и методы формирования инверсных распределений.............................................11
1.1. Динамический разогрев и инверсия распределений горячих дырок германия в скрещенных электрическом и магнитном полях...............11
1.2. Дальнее инфракрасное излучение горячих дырок в ве при прямых оптических переходах между подзонами тяжелых и легких дырок 19
1.3. Гальваномагнитные эффекты горячих дырок германия в скрещенных электрическом и магнитном полях.....................................28
1.4. Циклотронный резонанс дырок германия в сильных Е±Н полях...........33
1.5. Неравновесное дальнее инфракрасное излучение полупроводников. (Обзор).............................................................40
Глава II. Дальнее инфракрасное излучение горячих дырок германия при одноосной упругой деформации (ОУД) кристалла........................54
2.1. Методика исследования дальнего инфракрасного излучения горячих носителей заряда в полупроводниках..................................54
2.2. Энергетический спектр дырок и эффективные массы плотности состояний валентной зоны германия при ОУД.....................................60
2.3. Межподзонные оптические переходы дырок в одноосно деформированном ве в сильных электрических полях....................................68
2.4. Исследование влияния ОУД на межподзонную инверсию горячих дырок германия в Е_1_Н полях..............................................81
2.5. Индуцированное излучение горячих дырок ве при ОУД кристалла 91
2.6. Основные результаты полученные в главе II..........................96
Глава III. Диагностика неравновесных распределений горячих дырок в ве при
ОУД кристалла по их гальваномагнитным характеристикам и циклотронному резонансу.........................................98
з
3.1. Импульсный метод «тока Холла» в исследовании гальваномагнитных характеристик системы горячих носителей заряда......................98
3.2. Определение характеристик горячих дырок германия в магнитном поле из экспериментальных измерений........................................101
3.3. Гальваномагнитные эффекты дырок германия в сильных ЕІ.Н полях при 4,2К и 77,ЗК.......................................................102
3.4. Критерий отрицательной дифференциальной проводимости и неустойчивости горячих дырок германия в магнитном поле при ОУД кристалла..........................................................108
3.5. Методика экспериментального исследования спектров циклотронного резонанса дырок германия в сильных Е1Н полях.......................111
3.6. Спектры циклотронного резонанса дырок в германии в сильных Е1Н полях............................................................ 115
3.7. Основные результаты полученные в главе 111........................122
Глава IV. Дальнее инфракрасное излучение неравновесной электроннодырочной плазмы кремния............................................124
4.1. Методика исследования дальнего инфракрасного излучения неравновесной элекгронно-дырочной плазмы кремния.................................124
4.2. Исследование дальнего инфракрасного излучения неравновесной электронно-дырочной плазмы кремния.................................125
4.3. Основные результаты полученные в главе IV.........................133
Заключение.............................................................135
Список использованной литературы.......................................139
4
Введение
В последнее время интенсивно проводятся исследования процессов, связанных с динамическим разогревом носителей заряда в полупроводниках. Характер движения носителей в большей мере определяется конфигурацией взаимодействия 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 сама 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, основанными на инверсии в распределении и динамической отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) горячих дырок в германии. Эти источники стимулированного излучения на горячих носителях в р - ве перекрыли почти всю область спектра (от 80 мкм до 3 мм) между традиционными полупроводниками ИК-лазерами и СВЧ-диодами.
Проводятся исследования по улучшению характеристик уже созданных квантовых генераторов на р - Ое, так как все эти источники стимулированного излучения на р - Ое обладают довольно низким КПД - ц (ц «0,5%) [3]. Кроме того, наблюдаются также некоторые существенные расхождения между экспериментом и теорией - сравнительно слабо выраженная экспериментальная зависимость эффекта стимулированного излучения от угла между Н и Е -полями, незначительный коэффициент усиления а.эксп = 0,01 -г-0,03см'1 (тогда
как теоретическое значение ССтеор < ОД см 1 )5 отсутствие в эксперименте явной
5
зависимости частоты генерации дальнего ИК - излучения от величины электрического поля, а также скачок частоты стимулированного излучения и ухудшение условий генерации при определенных значениях Н и Е - полей [1]. Поэтому актуальной задачей является углубленное изучение физических процессов, лежащих в основе этих источников и поиск новых возможностей улучшения их параметров.
Ввиду того, что все типы квантовых генераторов на горячих носителях заряда в р - ве неразрывно связаны с вырождением валентной зоны в точке р=0, а также выраженной анизотропией эффективной массы тяжелых дырок, является существенным в проведении исследований по выявлению влияния этих факторов на инверсное распределение горячих дырок в германии. Эффективным способом воздействия на эти факторы является одноосная упругая деформация (ОУД) кристалла, которая существенно меняет энергетический спектр носителей, позволяет воздействовать на вероятность межподзонного рассеяния, на 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 их параметров.
К моменту постановки нами настоящей задачи в литературе отсутствовали данные об исследовании эффектов динамического разогрева дырок в германии в условиях ОУД кристалла. Известные автору экспериментальные работы касались, в основном, исследований характеристик инверсии в зависимости от значений Н и Е - полей, и от кристаллографической ориентации образцов. Опубликованы были также данные по исследованию гальваномагнитных эффектов и циклотронного резонанса в сильных Е_[_Н полях и теоретические представления об эффектах динамического разогрева дырок в ве.
Рассматриваемые явления, возникающие при динамическом разогреве в таких системах, происходят при энергиях, меньших энергии оптического
6
фонона, что составляет для германия Ьсо^ = Ъ1мэВ. В данной работе при изучении свойств системы горячих носителей заряда в р - ве в сильных Н и Е -полях при их энергиях £<Пб)0 исследованы эффекты, основанные на изменении энергетического спектра при к=0, изменении эффективных масс носителей, плотности состояний подзон, изменении механизмов рассеяния, которые эффективно управляются посредством ОУД кристалла.
Многочисленные исследования как у нас, так и за рубежом, проведенные в последнее время по выявлению влияния ОУД на излучение горячих дырок в ве, подтвердили правильность выбора данного направления. В этих работах было показано, что ОУД р-ве уменьшает пороговые значения Н и Е - полей, при которых возникает индуцированное излучение [4], расширяет спектр генерации [5], увеличивает интенсивность излучения на 2-ьЗ порядка [4]. Авторы работы [6] наблюдали сильный рост интенсивности излучения из р-ве при Р>6кБар и Р//Е//[111] без воздействия магнитного поля. В последующих работах было показано, что стимулированное излучение обусловлено появлением резонансных состояний, возникающих при расщеплении четырехкратно вырожденного акцепторного уровня под действием деформации
[7].
В последнее время как у нас, так и за рубежом, все большее внимание уделяется разработке твердотельных источников излучения с более высокими параметрами, с использованием других полупроводниковых материалов - р-Бц р-ваАБ, р-ГпБЬ, алмаза, карбида кремния, а также различных полупроводниковых структур - сверхрешетки, структур с квантовыми ямами и др. Кроме того, появился ряд идей, позволяющих говорить о том, что помимо уже известных эффектов могут быть использованы и другие явления в плазме полупроводников, приводящие к инверсным распределениям и к ОДП в субмиллиметровой области спектра. Эти исследования и их реализация могут привести к получению генерации при более высоких температурах Т>77К, а также без использования магнитного поля.
Проведенные нами в последнее время исследования по изучению динамических процессов в неравновесной электронно-дырочной плазме (ЭДП) в кремнии, образованной диссоциацией фотовозбужденных экситонов в сильном электрическом поле при 4,2К, позволили обнаружить интенсивную генерацию СБММ излучения в диапазоне Л = 80-5-120мкм. Результаты этих исследований привели к созданию источника индуцированного СБММ излучения без использования магнитного поля.
Исследования в данном направлении актуальны и представляют, не только научный, но и практический интерес, обусловленный возможностью создания новых типов полупроводниковых лазеров и мазеров, приемлемых для широкого использования.
Целью настоящей работы является:
- экспериментальное исследование свойств системы горячих дырок в германии в сильных электрическом и магнитном полях при одноосной упругой деформации кристалла;
- исследование механизма впервые обнаружено нами субмиллиметрового излучения в неравновесной ЭДП в кремнии, образованной диссоциацией фотовозбужденных экситонов в сильном электрическом поле.
Спецификой экспериментальных исследований является необходимость проведения измерений при гелиевых температурах, когда рассеянием носителей на акустических фононах можно пренебречь. Кроме того, гелиевые температуры являются необходимым условием для функционирования использованных фотопремников в СБММ области спектра.
В результате выполненных в данной работе исследований эффектов динамического разогрева дырок германия при ОУД в сильных Н и Е - полях посредством диагностики спонтанного дальнего инфракрасного излучения (С ДИКИ), гальваномагнитных характеристик, спектров циклотронного поглощения изучены:
8
- закономерности изменения интенсивности СДИКИ в зависимости от значений Е, Н, Р полей, а также от конфигурации приложения этих полей;
- изменения факторов расщепления подзон, плотности их состояний, механизма межподзонного рассеяния на ионизированных примесях, межподзонного туннелирования при ОУД и его влияния на межподзонную инверсию дырок в германии;
- впервые обнаружена интенсивная генерация СБММ излучения в неравновесной ЭДП кремния при диссоциации экситонов в сильном электрическом поле.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней получен ряд новых физических результатов, основные из которых составляют положения, выносимые на защиту:
1. Установлено, что одноосная упругая деформация кристалла приводит к сильному изменению эффектов динамического разогрева дырок германия в сильных Е и Н полях и существенно влияет на спонтанное и индуцированное ДИКИ, обусловленные межподзонной инверсией дырок.
2. Показано, что при одноосной деформации на межподзонную инверсию горячих дырок в ве существенно влияет относительное расположение в квазиимпульсном пространстве точек смешивание состояний подзон и траекторий носителей, которые определяются конфигурацией приложения Е, Н, Р полей.
3. Впервые обнаружена интенсивная генерация СБММ излучения (Л = 80-Н20л//о1/) в неравновесной ЭДП кремния при диссоциации фотовозбужденных экситонов в сильном электрическом поле, что привело к разработке источника индуцированного излучения без использования магнитного поля.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе приведен краткий обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию эффектов динамического разогрева дырок в германии и
деформации их функций распределения в сильных электрическом и магнитном полях. Рассмотрены эффекты накопления горячих дырок в квазиимпульсном пространстве. Приведены результаты исследований спонтанного и индуцированного СБММ излучения. Сделан обзор по исследованию гальваномагнитных эффектов горячих дырок германия в ЕЛН полях. Рассмотрены также вопросы по изучению системы горячих дырок ве методом циклотронного резонанса (ЦР), так как активная спектроскопия горячих дырок методом ЦР позволяет получить обширную информацию о разогреве носителей, изменении динамики и функции их распределения, перераспределения дырок между подзонами. В этой же главе рассмотрены работы, в которых предполагаются различные способы получения индуцированного излучения в СБММ области спектра в полупроводниках и полупроводниковых структурах.
Вторая глава посвящена изучению эффектов динамического разогрева горячих дырок германия при ОУД кристалла, а также изучению основных факторов, влияющих на эти эффекты. В ней описывается методика проведения исследований посредством диагностики СБММ излучения. Вычислено влияние ОУД на энергетический спектр подзон и изменение плотности их эффективных масс. Доказано, что ОУД существенно влияет на интенсивность ДИКИ. Приведены результаты исследования СДИКИ и вольтамперных характеристик при различных конфигурациях, приложения Е, Н, Р полей и их значений. Обсуждаются закономерности изменения СДИКИ и влияние этих факторов на межподзонную инверсию горячих дырок в Се. На основе наблюдаемых закономерностей изменения интенсивности СДИКИ при ОУД сделан вывод о существенном влиянии межподзонного туннелирования на аккумуляцию дырок в подзоне-2. На основании результатов, изложенных в третьей главе, предложена оптимальная конфигурация приложения Е, Н, Р полей. На лазерном образце, с полным внутренним отражением
10
продемонстрировано влияние ОУД на интенсивность индуцированного излучения, а также на пределы генерации по Е и Н полям.
В третьей главе впервые исследованы с применением метода «тока Холла» гальваномагнитные эффекты горячих дырок германия в сильных Е_1_Н при ОУД кристалла. Экспериментально определено изменение соотношения концентрации дырок в легкой и тяжелой подзонах в зависимости от величины Е и Н полей для температур 4,2К и 77К. Проведен анализ на возможность возникновения статической ОДП и низкочастотной неустойчивости. В главе также приведены результаты исследований ЦР дырок Ое в сильных Е_Ш полях при ОУД на частотах - 35ГГц и 72ГГц. Показано, что в зависимости от конфигурации приложения Е, Н, Р полей аккумуляция дырок в подзоне-2 имеет различный характер, обсуждаются закономерности изменения спектров ЦР от ОУД.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального обнаружения интенсивной генерации СБММ излучения Я = 80 +120мкм, неравновесной электронной плазмы в кремнии п-типа в сильном электрическом поле при гелиевых температурах. Показано, что интенсивность обнаруженного излучения намного превосходит интенсивность СБММ излучения в р-ЯЗе, обусловленного межподзонной инверсией горячих дырок в Е±Н полях. Проанализированы возможные физические механизмы, лежащие в основе данного излучения. На образце кремния продемонстрирована возможность получения индуцированного излучения.
В заключении диссертации приведены основные результаты проведенных исследований.
11
Глава I. Горячие носители заряда в полупроводниках и методы формирования
инверсных распределений.
1.1. Динамический разогрев и инверсия распределений горячих носителей заряда в скрещенных электрическом и магнитном полях.
При приложении электрического поля Е к полупроводнику носители
заряда могут стать горячими, когда их температура Т = ~£ср (где еср - средняя
энергия носителя) превысит температуру решетки - Т0. Различаются два типа разогрева носителей - диффузионный и динамический. Для диффузионного разогрева, который во многих случаях имеет место в физике горячих носителей, процессы рассеяния квазиупругие и устанавливается такая температура носителя - Т, что энергия, набираемая носителем на длине
свободного пробега 1 = итт, ит =(2кТ/т*)'2 - средняя хаотическая скорость, гтГ - эффективная масса, т=1 /ур - время релаксации импульса - р носителя, мала по сравнению со средней энергией
А £ = еЕ1«£ср> (1.1.1)
при этом функция распределения имеет вид распределения Дрювестейна [8] и слабо анизотропна, так что дрейфовая скорость о^ =еЕт/т « иТ . Разогрев носителей связан с диффузионными процессами и с небольшой скоростью. Стартуя с энергией е =0, носитель набирает среднюю энергию за много актов рассеяния. Небольшая скорость разогрева приводит к тому, что при достаточно быстром изменении электрического поля дрейфовая скорость не успевает следить за полем.
В случаях, когда частота рассеяния носителей от энергии имеет пороговый характер (т.е., когда сильное рассеяние существует в области энергий в < е* может быть выполнено условие, обратное (1.1.1):
12
а£' = еЕГ >>еср = 8\ (1.1.2)
где Л длина свободного пробега при 8 < 8*. В этом процессе носители заряда разогреваются динамически, так как при 8 < 8* носители движутся почти без рассеяния и просто увеличивают свою энергию во внешних Е, Н полях динамическим образом [9].
В чистых полупроводниках при низкой температуре время рассеяния на примесях - тп и на акустических фононах - та много больше, чем время испускания оптического фонона. Импульсное пространство в этом случае
удобно разделить на активную область, где энергия носителей £ > Ъсо0 (йй)0-энергия оптического фонона) и возможно испускание оптического фонона, и пассивную область £ где наблюдается лишь слабое рассеяние. Если
характерное время пролета Те носителей под действием внешних электрических и магнитных полей до границы пассивной области удовлетворяет неравенствам
г0 <<; ТЕ а также имеет место слабое рассеяние между носителями, то
почти все носители сосредотачиваются на траекториях в пассивной области импульсного пространства имеющие сильно вытянутые вдоль электрического поля - Е (анизотропные) распределения - стриминг. Эти распределения были обнаружены в чистом р-ве в сильных электрических полях при низких температурах решетки, когда существенно сильно неупругое рассеяние горячих дырок на оптических фононах.
Исследование спектров поглощения поляризованного света на дырках в ве в сильных электрических полях [10-12], позволило определить симметричную часть функции распределения, а также степень ее анизотропии. В результате было доказано, что при определенных условиях функция распределения горячих дырок - Ое анизотропна и носит существенно немаксвелловский характер. Изменение вида распределения дырок в импульсном пространстве с ростом электрического поля приведена на рис. 1.1.1.
13
Рис. 1.1.1. Изменение вида распределения дырок в импульсном пространстве с ростом электрического поля ё2 > Е]. Области наибольшей плотности функций
распределения заштрихованы.
Рис. 1.1.2. Зависимость частоты рассеяния дырок на акустических (АР), оптических (ОР) фононах и на ионизированных примесях (ІМ).
- Київ+380960830922