Лазеры терагерцового диапазона частот на примесных центрах в кремнии и германии

2
Содержание
Введение
ГЛАВА 1. Мелкие примесные центры и фононы в кремнии, германии и кремний-i ер.маниевых соединениях (обзор теоретических и экспериментальных данных)
1.1. Водородоподобные и многозарядные примесные центры в кремнии, германии и кремний-гсрманисвых соединениях.
1.2. Фононы в кремнии, германии и кремний-германиевых соединениях.
1.3. Процессы, определяющие населенности состояний примесных центров в кремнии и германии.
1.4. Модели захвата и внутри центровой релаксации для мелких примесных центров в германии и кремнии.
1.5. Времена жизни неравновесных носителей заряда в состояниях мелких примесных центров в германии и кремнии.
ГЛАВА 2. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот на переходах между примесными состояниями доноров в кремнии
2.1. Образцы кремния, изготовление и тестирование образцов.
2.2. Экспериментальные схемы для исследований.
2.3. Механизмы поглощения и внутрицентрового усиления излучения терагерцового диапазона частот в кремнии л-типа проводимости.
2.4. Гснсрация терагерцового излучения из кремния, легированного донорами V-й группы (Si:Sb, Si:Bi, Si:As), при фотоионизации водородоподобных примесных центров.
2.5. Влияние типа кремниевой матрицы ( монокристаллическая, поликри-сталлическая, моноизотопная монокристаллическая ) на характеристики терагерцовых кремниевых лазеров, легированных фосфором.
2.6. Влияние концентрации и типа примесных центров, температуры решетки на стимулированное излучение терагерцового диапазона частот при фотоиопнзации донорных центров в электронном кремнии.
2.7. Влияние внешних полей на внутрицентровые кремниевые лазеры терагерцового диапазона частот.
5
19
19
27
29
32
36
40
40
44
47
50
61
64
71
з
2.7.1. Эффект Зеемана для терагерцовых кремниевых лазеров. 71
2.7.2. Влияние электрического поля на оптически накачиваемые 75
терагерцовыс кремниевые лазеры.
2.7.3. Влияние одноосной деформации кристалла на оптически 80
накачиваемые терагерцовыс кремниевые лазеры.
2.8. Измерение поглощения терагерцового излучения в оптически 85
возбуждаемом кремнии /7-тина проводимости.
2.9. Терагерцовые кремниевые лазеры при резонансном внутрицентровом 88
оптическом возбуждении.
ГЛАВА 3. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот 98
вследствие нелинейного прсобразовашш частоты света в кремнии
3.1. Механизмы комбинационного рассеяния света в кремнии. 100
3.2. Генерация излучения терагерцового диапазона частот на основе 103
эффекта вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКРС) в кремнии, легированном донорами V-й группы.
3.2.1. Генерация терагерцового излучения на основе эффекта ВКРС в 104 монокристаллическом кремнии, легированном одиночными донорами
V-й группы.
3.2.2. Генерация терагерцового излучения на основе эффекта ВКРС в крем- 116
иин, совместно легированном центрами фосфора и сурьмы (Si:P:Sb).
3.2.3. Особенности стимулированного терагерцового излучения на эффекте 118
Л0
ВКРС в кремнии, обогащенном 28м изотопом ( Si:P).
3.3. Генерация стимулированного излучения терагерцового диапазона 120
частот на основе эффекта нелинейного смешения частот в кремнии, легированном центрами фосфора (Si:P).
ГЛАВА 4. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот па 124 переходах между состоянпнмн акцепторных центров в германии
4.1. Механизмы поглощения и усиления излучения терагерцового 125
диапазона частот в германии /»-типа проводимости в скрещенных электрическом и магнитном полях EU? при низких температурах решетки.
4.2. Генерация внутрицентрового терагерцового излучения н скрещенных 130
электрическом и магнитном полях (Е±В) при низких температурах
4
решетки в германии, легированном акцепторами III группы.
4.3 Измерение усиления терагерцового излучения в активных средах 134
германиевых лазеров, легированных элементами Ш-й (р-Gc:Ga) и И-й
(p-Gс:Вс) групп.
4.4 Влияние одноосной деформации кристалла германия на внутрицент- 137
ровое стимулированное излучение из i-ермаиия (p-Gc:Ga).
ГЛАВА 5. Экспериментально обнаруженные особенности внутрицентровои 141
релаксации носителей заряда в кремнии и германии
5.1. Измерение времен релаксации внутри центрового возбуждения в 142
электронном кремнии.
5.2. Доминирующие каналы внутрицентровой релаксации в электронном 143
кремнии при оптическом возбуждении и низких температурах.
5.3. Неравновесные насслсшюсти возбужденных состояний доноров в 152
кремнии при их оптическом возбуждении.
5.4. Неравновесные населенности возбужденных состояний доноров в 156
кремнии при их электронном возбуждении.
5.5. 11еравновссные населенности возбужденных состояний акцепторов в 159
германии при совместном оптическом и электронном возбуждении.
ГЛАВА 6. Поглощение и усиление терагерцового излучения примесными 164
центрами в кремний-германиевмх монокристаллах н низкоразмерных кремний-гермаииевых структурах
6.1. Фотолюминесценция терагерцового диапазона частот из кремний- 165
германиевых >7-Sit.*Gex кристаллов, легированных мелкими примесными центрами.
6.2. Фотолюминесценция терагерцового диапазона частот из п-Si/ Sii-^Ge* 167
структур, селективно легированных допорпыми центрами.
6.3. Наблюдение электронной модуляции поглощения терагерцового 172
излучения в p-Ge/Ge^Si* структурах методом внутрирезонаторной спектроскопии.
Заключение Литература автора Цитируемая литература
180
183
201
5
Введение
Актуальность темы
Элементарные полупроводники - кремний и германий, а также полупроводниковые соединения на их основе - кремний-германиевые кристаллы и неоднородные структуры, являются объектами широкомасштабных, интенсивных, фундаментальных и прикладных исследований, направленных на более глубокое понимание природы физических эффектов, определяемых различными примесными центрами и дефектами в кристаллической матрице полупроводников, а также использованием их для построения традиционных и принципиально новых полупроводниковых электронных приборов и устройств. Примесные центры - неотъемлемые структурные элементы реальных полупроводниковых материалов. Являясь объектами наиоскопического уровня, примеси определяют в конечном счете основные макроскопические свойства полупроводников: электро- и теплопроводность, оптические и магнитные свойства. Постоянный интерес к исследованию возможности создания оптических устройств на основе кремний- и гсрмаиий-содержащих полупроводников поддерживается в современной кремниевой оптоэлектронике, рассматривающей данные материалы в качестве перспективных кандидатов для создания дешевых, падежных и технологически доступных устройств для передачи и хранения информации. Особое внимание уделяется в последнее время физическим явлениям и процессам, происходящим в терагерцовом спектральном диапазоне частот, который лежит между микроволновым и оптическим диапазонами, давно и широко используемыми, и инструментально представленными традиционными радиоэлектронными и оптическими устройствами. Терагсрцовый диапазон частот электромагнитного спектра (1-10 ГГц), альтернативно называемый также длинноволновым/дапышм инфракрасным диапазоном длин волн (30-300 мкм), представляет значительный интерес в современных фундаментальных и прикладных исследованиях [20038]. Продвижение в данный спектральный диапазон может существенно раздвинуть достигнутые границы исследований в радиоастрономии для исследования физических процессов на ранней стадии развития Вселенной [20028]; в молекулярной и твердотельной спектроскопии для изучения спектров колебаний органических соединений и состояний конденсированной среды и ее дефектов и др. [1998Г, 20060, 2007И]. С прикладной точки зрения привлекают возможности терагерцового излучения в биологии [2002Г, 20048], например, для ранней диагностики дерматологических онкологических заболеваний; в системах безопасности [2005Р], например, для дистанционного
6
обнаружения потенциально опасных органических материалов; в системах сверхплотной и/или скрытной передачи информации [2003'XV]. Полупроводниковые и свсрхпроводниковые твердотельные детекторы предлагают качественное обнаружение и анализ сигналов в ТГц диапазоне [1996Г, 2003Б. 2006С]. В то же зремя, полупроводниковые источники когерентного ТГц излучения все еще находятся в стадии изучения принципов и разработки реальных устройств. Узкозонные четверные полупроводниковые соединения обеспечивают когерентным стимулированным излучением широкий диапазон в ближней и средней части инфракрасного (ИК) спектра от 2,5 мкм до 35 мкм [1980М2]. К началу цикла исследований, представленных в диссертационной работе, единственными фундаментальными полупроводниковыми лазерами ТГц диапазона являлись генераторы на основе межподзонных переходов и связанным с ними излучением на переходах между уровнями Ландау легких дырок валентной зоны дырочного германия (р-ве лазер), работающие в импульсном режиме при накачке скрещенными электрическим и магнитным полями (Е±В) при низких температурах (<20 К) и перекрывающие диапазон частот 1-4,2 ТГц для межподзонных р-ве лазеров (см. [А1993М2] и обзор [А2005Н1] и 1,2-2,8 ТГц для р-Сс лазеров «на циклотронном резонансе» [2009К]. Отличительной особенностью данных лазеров является аномально широкий спектр усиления, позволяющий реализовывать широко, и непрерывно перестраиваемые по частоте источники излучения. Однако, низкая эффективность р-ве лазеров (коэффициент усиления ~0,01 см'1 [А1999М]) и высокие потребляемые мощности (типичные значения полей и тока: 1 Тесла, 1 кВ/см, 500 А) в значительной степени ограничивают возможности применения данных источников. В последнее время достигнут существенный прогресс в расширении спектра излучения в длинноволновую часть для инфракрасных квантово-размерных каскадных лазеров на арсенид-галлиевых гетероструктурах, перекрывших к настоящему времени диапазон 1-5 ТГц (см. например обзор [2007\У]). Необходимая для усиления света инверсная заселенность состояний двухмерных подзон в этих лазерах формируется при вертикальном транспорте электронов по т. н. квантовому каскаду, что предопределяет высокие коэффициенты усиления ТГц излучения на переходах между подзонами двумерных электронов в квантовых ямах. Эти лазеры демонстрируют высокую эффективность - до единиц процентов, высокие рабочие температуры - до 150 К, непрерывный режим генерации, относительно низкое потребление энергии. К сожалению, серьезным недостатком каскадных лазеров являются ограничения, накладываемые микроскопическими размерами активной среды (типичные толщины
7
структур не превышают 10-15 мкм), которые предопределяют высокие потери длинноволнового излучения в субволновых резонаторах, не позволяют сформировать узкую диаграмму направленности выходного излучения, необходимую для использования данных устройств во многих оптических схемах. Продвижение арсснид-галллевых каскадных лазеров в длинноволновую область 'ГГц спектра ограничено ростом потерь излучения в резонаторе и поглощением излучения свободными электронами, а в высокочастотную часть ТГц спектра - полярным решеточным поглощением. Альтернативными принципами генерации ТГц излучения в полупроводниковых активных средах можно считать нелинейные эффекты смешения частот в полупроводниковых лазерных диодах [2002В, 2007Б] и нелинейные механизмы генерации с участием межподзонных переходов в каскадных лазерах [20030, 2007В]. Первый тип указанных источников характеризуется низкой выходной мощностью и относительно широкой линией излучения, что ограничивает прикладные возможности, в то время как второй является частным случаем конкретного спектра электронных состояний в гетеросзруктурс и не может быть обобщен для реализации широкого спектра устройтв ТГи диапазона частот.
Значительный интервал частот, от 5 до 10 ТГц, остается до настоящего времени недоступным для полупроводниковых источников стимулированного излучения.
В данной диссертационной работе исследуется альтернативный подход к разработке лазеров ТГц диапазона частот на основе элементарных полупроводников и их соединений. Он использует оптические переходы между локализованными состояниями водородоподобных примесных центров в кремнии, германии и кремний-гсрманисвых соединениях. Примесные центры в полупроводниках предлагают уникальную возможность создания эффективных оптических устройств для материалов с непрямой зонной структурой, т. е. когда зона проводимости имеет минимум (дно) спектра состояний свободных электронов, смещенный относительно аналогичного минимума (потолок) спектра электронных состояний валентной зоны. В таких материалах, в том числе в элементарных полупроводниках кремнии и германии, традиционная схема создания инверсной заселенности - инверсия между зоной проводимости и валентной зоной - неэффективна. Структура внутренних (внутрицентровая) состояний примесного центра, напротив, предлагает возможность прямых оптических переходов, независимо от положения дна зоны проводимости в зоне Бриллюэна. Это принципиальное качество было предложено для создания инвертированных распределений заряда на состояниях мелких (т. е. с энергией
8
ионизации значительно меньше ширины запрещенной зоны) водородоподобных донорных центров в кремнии с помощью их фотоионизации при низких температурах кристаллической решетки [19965Ь]. Возможность создания полупроводниковых лазеров ТГц диапазона частот на основе внутрицентровых переходов, характеризующихся высокими значениями сил осциллятора и длинными, но сравнению с состояниями подзон, временами жизни, представляет значительный интерес как с чисто фундамен тальной точки зрения (рис. так и с позиции их потенциального интегрирования в цепях современных оптоэлектронных устройств [2006Ь|.
638
и 1C К
APPLIED PHYSICS
Toward Bridging the Terahertz Gap with Silicon-Based Lasers
Alexander Borak
Many technologies use the optical and electronic regions of the electromagnetic spectrum. Wave* length* <30 jtm ate used in optical data storage. fiber-optic communications, and spectroscopy. whereas wavelengths >300 pm are the domain of electronics, radio onninumi-cntions.nnd radar. In contrast, the “terahertz gap” front 30 to 300 pin (I to lOTIIz) has barely been exploited Ivcause r.o cheap and practical sources of terahertz radiation exist. In recent years, substantial progress lias been made in developing such devices. Tehahertz. lasers based on silicon would Iva partialLtrly desirable because of their compatibility with silicon technology.
The development of a silicon-based terahertz laser is pari of the larger cll'ort to build the first si1icon-ba»xl la»er. The latter cfibrt recently received a boost with the announcement of an optically pumped silicon Raman laser operating at ~ 1.7 pm (/).
Wavelength (pm)
29 APRIL 2005 VOL 308 SCIENCE www.seiencemag.org
Published by AAAS
lasing at similar wavelengths from silicon mortocryxtals driped with arsenic (.s').
These silicon-based terahertz lasers arc being developed for applications in astronomy and atmospheric spectroscopy. However, they require a separate optical pump laser and operate only at low temperatures. An ideal laser would be electrically pumped, directly emit terahertz radiation, and operate at room temperature.
Impurity emission from doped silicon can also be initiated by electrical pumping. Lv */ at. recently demonstrated impurity-related e lectro 11 im inescer.ee from 20 to 50 pm (6 to I-I Tl Izl from doped silicon under pulvcii currents (9). The results are encouraging and the devices easy to fabricate, but the emission degrades above 20 K. Furthennorc. if the devices are to lasc. population inversion is required, and no ev idence of this was seen for these structures.
In 2(02. Kohler <•/ iii. reported the development of a terahertz quantum cascade laser based on layered III-V semiconductor het-crosuuctures (/0). Tl'.e work was a major step toward a compact and practical electrically pumped terahertz emitter. In a quantum cascade
Frequency (THr)
A terahertzphoiphorus-doped silicon (Si:P) laser. A sharp emission is teen at -5.5 THr. Such terahertz siticen lasers may eventually be used on telescopes such as the Stratospheric Observatory fcr Infrared Astronomy. Left Inset: Optical pumping of Si:P (blue arrow) leads to terahertz laser emission bed arrow). Middle inset: In SIP.
Рис. і. Фрагмент обзорной статьи Science [2005В] о перспективах развития кремнийсодержащих активных сред терагерцового диапазона частот, цитирующей принцип внутрицситровой генерации излучения (кремниевый лазер, легированный фосфором).
Кремний и германий характеризуются низким уровнем оптических потерь в указанном спектральном диапазоне, высокой теплопроводностью, технологичностью, и наиболее высоким для полупроводников уровне контроля дефектов и вводимых примесей, включая водородоподобные центры. Такие центры давно являются объектами разностороннего изучения. Однако основные работы, как правило, были
9
направлены на исследование спектров локализованных состояний в равновесных условиях, спектроскопию примесного поглощения (см., например, обзор [1981 Я]), изучения влияния примесных центров на электропроводность полупроводников и связанные с этим проблемы захвата свободных носителей заряда на кулоновскис центры [1997А1]. В умеренно легированных материалах с невырожденным спектром электронных состояний при низких (не выше 10-20 К) температурах основной вклад во внутрицентровую релаксацию неравновесных электронов вносят процессы, определяемые взаимодействием с фононным спектром [1978А]. Несмотря на многолетнюю историю теоретического анализа процессов низкотемпературной внутрицентровой релаксации электронов (см. введение в [ 1997А1 ]), полученные теоретические результаты в рамках различных модельных представлений, основанных как правило на т. н. каскадной схеме захвата, не могли однозначно и количественно точно объяснить экспериментальные результаты по внутрицентровой релаксации электронов в материалах с различными примесными центрами и реализуемые в эксперименте неравновесные населенности возбужденных примесных состояний. В этой связи исследование процессов внутрицентровой релаксации носителей и характерных времен жизни неравновесных электронов имело принципиальное значение для верификации теоретических моделей, а также оценок возможностей создания активных материалов на основе легированных элементарных полупроводников.
В последнее время изучение примесных центров в кремнии снова вызвало повышенный интерес в связи со значительными успехами в технологии получения
ЛО в
кристаллов кремния с высоким уровнем обогащения отдельными изотопами: Бц 81,
3<\$1 [2001Д, 2006В, 200811]. В этих принципиально новых материалах качественным образом меняется динамика высокоэнергетичных фононов, вырастает теплопроводность, коренным образом меняются времена релаксации спина электронных состояний, наблюдаются предельно узкие линии примесного поглощения, ширина которых определяется временем жизни возбужденных состояний центров. Другим стимулом исследований является принципиальная возможность разработки элементов памяти для хранения информации в квантовых компьютерах на основе моноизотопного кремния [1994К].
Все вышесказанное ставит новые задачи исследования физики неравновесных состояний доноров и акцепторов при их оптическом и полевом возбуждении и последующей релаксации при электрон-фононном взаимодействии. Таким образом, изучение эффектов стимулированного излучения примесными центрами в кремнии,
10
германии и соединениях на их основе, которые определяются особенностями внутри центровых процессов распада состояний, представляется актуальной задачей в связи с развитием новых устройств кремниевой оптоэлект роники.
Цель диссертационной работы
1. Экспериментальное исследование неравновесных населенностей состояний мелких доноров и акцепторов в полупроводниках кремнии и германии, а также соединениях на их основе в условиях электронного и оптического возбуждения.
2. Обнаружение эффектов и исследование характеристик стимулированного излучения на переходах между состояниями мелких примесных центров в кремнии и германии в условиях оптического и полевого возбуждения инверсной заселенности.
3. Идентификация рабочих переходов и анализ условий наблюдаемого в эксперименте терагерцового стимулированного излучения в кремнии, легированном водородоподобными донорными центрами.
4. Экспериментальное исследование эффектов вынужденного комбинационного рассеяния инфракрасного излучения на донорах У-й группы в кремнии.
5. Измерение малосигиалыюго коэффициента терагерцового усиления / поглощения на межподзонных переходах валентной зоны германия в скрещенных электрическом и магнитном полях в зависимости от типа акцепторных центров.
6. Отработка методики низкотемпературной (<20 К) внутрирезонаторной спектроскопии для измерения малых коэффициентов поглощения терагерцового излучения (3-4 ТГц) с использованием лазера на /7-германии.
Научная новизна работы
Научная новизна диссертационной работы заключается в обнаружении следующих эффектов и впервые полученных данных:
1. Получена и экспериментально исследована генерация излучения терагерцового диапазона частот при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения донорами У-й группы периодической системы (фосфор Р, сурьма ЭЬ, мышьяк Аэ, висмут 131) в монокристаллическом кремнии.
и
2. Получено и экспериментально исследовано стимулированное терагсрцовос излучение на дипольно-разрешенных переходах между возбужденными состояниями доноров У-й группы при оптической накачке инверсной заселенности этих состояний. Установлены рабочие состояния и специфика лазеров, легированных различными Петрами.
3. Экспериментально обнаружен эффект переключения частот (рабочих переходов) стимулированного излучения, связанного с инверсной заселенностью состояний водородоподобных доноров в кремнии, при изменении энергии кванта оптической накачки.
4. Экспериментально доказано наличие различных каналов внутрицентровой релаксации неравновесных носителей, захваченных на доиорный кулоновский центр.
5. Установлено влияние внешних электрических (81:Р) и магнитных полей (БкР, 8кВ1) и давления, приложенного к кристаллу (ЗкАб, 8пР), на механизмы и эффективность стимулированного тсрагерцового излучения в кремнии.
6. Показана зависимость малосигнального коэффициента усиления в лазере на межиодзонных переходах валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации скрещенных электрического и магни тного нолей от типа акцепторных цстров. При оптимальных значениях концентрации легирующих центров коэффициент усиления ТГц излучения в германии, легированном бериллием, составляет 0,02 см'1 и превышает тот, что может быть получен в германии при его легировании галлием, почти в два раза.
Практическая значимость работы
1. Полученные результаты по эффектам стимулированного излучения доноров У-й группы в кремнии показывают новые возможности развития полупроводниковых лазеров терагерцового диапазона частот на основе примесных центров.
2. Полученные результаты по временам релаксации возбужденных состояний доноров в кремнии важны для разработки новых устройств на основе мелких доноров в кремнии, в частности, квантовых компьютеров на базе моноизотопного электронного кремния.
Результаты экспериментальных исследований лежат в основе положений, выносимых
на защиту.
12
Основные положении, выносимые на защиту:
1. Комбинационное рассеяние инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Аб, ЕИ) при низких температурах решетки в кремнии приводит к стоксовому процессу стимулированного излучения терагерцового диапазона частот. Стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1л(А|)-1л(Н) перехода между основным и возбужденным состояниями 15 мультиплета.
2. Фотоионизация доноров У-й группы в кремнии при низких температурах решетки приводит к инверсной заселенности состояний и терагерцовому стимулированному излучению на внутрицентровых 2/>о—> Ь'Пг) переходах в БЕБЬ, на 2/;±—» 1л(То), Ь(Е) переходах в БкАз и на 2р± —> Ь(Е), 1л(Т2:Гк), Ь(Т2:Гз) переходах в БЕВк
3. Рабочие уровни терагерцовых внутри центровых кремниевых лазеров (8кВ1, БиБЬ, БкЛз), как нижние 1 л(Е), 15(Тг), так и верхние 2/;о, 2\р±, 3/?0, 4;?о, переключаются при изменении энергии кванта накачки.
4. Инверсная заселенность состояний оптически возбуждаемых доноров при низких температурах решетки в кремнии контролируется внутридолинными и междолинными переходами электронов при излучении акустических (БиР, 81:БЬ, 81: Аз) и оптических (БРЕЙ) фононов. Специфика внутри петровой релаксации конкретного донора определяется химическим сдвигом энергии связи основного состояния центра.
5. Частота кремниевых БкВ1 лазеров, использующих внутрицентровые переходы 2р±-> 15(Тг), 2р±—> 1.у(Е), непрерывно перестраивается магнитным полем в соответствии с линейным эффектом Зеемана. Для лазеров с рабочим переходом 2ро~> Ь'(Тг) магнитное ноле не меняет частоты стимулированного излучения по крайней мере до 2 Тесла.
6. Установлено, что механизм, связанный с поглощением на примесно-зонных переходах, приводит к существенному уменьшению результирующего коэффициента усиления ТГц излучения в лазерах на межподзонимх переходах валентной зоны в дырочном германии.
Апробации результатов работы
Основные результаты данной диссертационной работы представлялись в 87 докладах
на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:
• XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Киев, 1990);
13
• II Всероссийский симпозиум по нелинейным и когерентным эффектам во виутрирезоштюрной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991);
• I, III, V, VI, VII, VIII, IX Российские конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород I РКФП 1993; Москва III РКФГІ 1997; Нижний Новгород - Казань V РКФП 2001; Санкт-Петербург VI РКФ11 2003; Звенигород VII РКФП 2005; Екатеринбург VIII РКФП 2007; Новосибирск - Томск IX РКФП 2009);
• Всероссийское Совещание "Наноструктуры на основе кремния и германия” (I Іижний Новгород, 1998);
• Всероссийское Совещание "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 2000);
• IX, XII, XIV Ежегодные Симпозиумы "Нанофизики и наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2005; 2008);
• 24th, 26th, 28і11 International Conferences on Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, ICPS 1998; Edinburgh, UK, ICPS 2002; Vienna, Austria, 1CPS 2006);
• 9th, 10”’ International Conferences on Shallow-level centers in semiconductors (Hyogo, Japan, SLCS 2000; Warsaw, Poland, SLCS 2002);
• 21st, 251'1 International Conferences on Defects in Semiconductors (Giessen, Germany, ICDS 2001; Санкт-Петербург ICDS 2009);
• 16th, 18th, 26th, 27'h, 28th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Lausanne, Switzerland, 1RMMW 1991; Colchester, GB, IRMMW 1993; Toulouse, France, IRMMW 2001; San Diego, USA, IRMMW 2002; Otsu, Japan, IRMMW 2003);
• the International Conference on Infrared and Millimeter Waves and Applications (San Diego, USA, 1994);
• II International Conference on Terahertz Spectroscopy and Applications (Munich, Germany, 1999);
« 7th International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Nara, Japan, HCIS 1991);
• the International Terahertz Workshop (Sandbjcrg Estate, Denmark, ITW 2000);
• 13!l International Conference on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (Modena, Italy, NCDS 2003);
• the NATO Advanced Research Workshop “Towards the first silicon laser” (Trento, Italy, 2002);
• 6lh, 7th International Symposiums "Nanostructures: Physics and Technology’” (Санкт-Петербург 1998; 1999);
• 10th, 11th IEEE International Conferences on Terahertz Electronics (Cambridge, UK, 2002; Sendai, Japan, 2003);
14
• 6th, 7th, 9th Symposiums of IEEE/LEOS, Benelux Chapter (Brussels, Belgium, 2001; Amsterdam, The Netherlands, 2002; Gent, Belgium, 2004);
• Annual FOM Condensed Matter Conference (Veldhoven, The Netherlands, 2001);
• lllh, 12th International Conferences on Phonon Scattering in Condensed Matter (Санкт-Петербург, 2004; Paris, France, 2007);
• Joint 29th, 31st, 32nd, 33rd, 34th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves and 12th, 14lh, 15th, 16th, 17th International Conferences on Terahertz Electronics (Karlsruhe, Germany, IRMMW-THz 2004; Shanghai, China; IRMMW-THz 2006, Cardiff, Wales, IRMMW-THz 2007; Pasadena, California, USA, IRMMW-THz 2008; Busan, Korea, IRMMW-TIIz 2009);
• the International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources (Rathen, Germany, 2005);
• 35°’ Workshop of the International School of Solid Slate Physics: Physics and Technology* ofTHz Photonics (Erice, Italy, 2005);
• the Rank-Prize Funds Mini-Symposium on Si-based Optoelectronics (Windermere, UK, 2006);
• the E-MRS IUMRSICEM Spring Meetings: 2006, Symposium D “Silicon-based Photonics " (Nice, France, 2006), 2008, Symposium С “Frontiers in silicon-based photonics” (Strasbourg, France, 2008);
• III SPIE Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy (Orlando, USA, 2006);
• the Joint Conference on Laser and Opto-Electronics (CLEO 2006) and the Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS 2006) (Long Beach, USA);
• 12th International Conference on High Pressure Semiconductor Physics (Barcelona, Spain, 2006);
• XII International Conference "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology’” (Erice, Italy, GADEST 2007);
• the Material Research Society (MRS) Fall Meetings (Boston, MA, USA, 2007; 2009);
• 21s* IEEE International Semiconductor Laser Conference (Sorrento, Italy, ISLC 2008);
• 5th IEEE International Conference on Group IVPhotonics (Sorrento, Italy, GPF 2008);
• 2nd, 4,h International Conferences on Advanced Optoelectronics and Lasers (Ялта, Україна, CAOL 2005; Алушта, Украіна, CAOL 2008);
• the International Workshop ”THz Radiation: Basic Research and Applications ” (Алушта, Украіна, TERA 2008);
15
• the Annual Meeting 2008 of the Scientific European Optical Society (Paris, France, EOSAM 2008);
• 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier, France, EDISON 2009);
• the NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications (Turunç-Marmaris, Turkey, TERA-MIR 2009);
• а также в Институте исследований планет Немецкого аэрокосмического центра в Берлине (Institut für Planctenforschung, Deutsches Zentrum fTir Luft- und Raumfahrt, Berlin, Germany) и 1-ом Физическом Институте Штутгартского университета (1. Physikalisches Institut, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany).
Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках проектов 93-02-14661-а, 96-02-00249-ННИО-а, 96-02-19275-а, 99-02-17958-а, 00-02-040Ю-ННИО-а, 02-02- 16790-а, 03-02-04010-ННИО-а, 05-02-16734-а РФФИ, РФФИ-11 НИО, Президентской программы поддержки ведущих научных школ Российской Федерации 11111-419.2008.2 «Фундаментальные научные проблемы развития кремниевой оптоэлсктроники и освоения терагерцового диапазона с использованием полупроводниковых наноструктур».
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и в 84 трудах и тезисах конференций. Список трудов автора по теме диссертации приведен в Заключении. Используется хронологическая система ссылок на цитируемые работы.
Личный вклад автора
Все приведенные в диссертации результаты исследований получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Вклад соискателя в постановку задачи и проведение измерений является определяющим в работах по первому наблюдению стимулированного 'ГГц излучения на основе вынужденного электронного комбинационного рассеяния света в монокристаллическом кремнии, легированном донорами V-й группы периодической системы элементов [А35, А37, А49, А52, А57] в моноизотопном кремнии [А53]; в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения па переходах между локализованными состояниями доноров в
16
монокристаллическом кремнии, легированном висмутом [А17, А19, А21], сурьмой [А20, А22], мышьяком [А28], и поли кристаллическом кремнии [А45, А48], легированном фосфором; в работах по наблюдению ТГц излучения из кремния, легированного междоузельиыми центрами I-й и ll-ii группы периодической системы [А46], кремний-германиевых монокристалличсских сплавов [A47J; при анализе значений энергий связи четных возбужденных состояний доноров в кремнии [А39], при исследовании температурного режима кремниевых лазеров [A56J; в работах, посвященных определению влияния внешних магнитного [А36] и электрического нолей [А60] на функциональность кремниевых лазеров; в работах по исследованию влияния примесного поглощения на усиление ТГц излучения в p-Gc:Ве и /?-Gc:Ga лазерах [А16]. Соискателю принадлежит основная роль в проведении экспериментов и в интерпретации полученных результатов по идентификации долгоживущего возбужденного состояния донорных центров в Si:P [Al2]; определению порогов, спектров излучения и реализованных лазерных схем в условиях внутрицентрового возбуждения доноров в кремнии [A26J; влиянию одноосной деформации Si:As кристалла [A36J и магнитного ноля (Si:Bi, Si:P) [A42J на фунциональность кремниевых лазеров; в определении каналов внутри центровой релаксации в Si:As [А50]. Работы [А25, А38, А40, А59] выполнены соискателем без соавторов. В остальных работах вклад соавторов равноправен. Это касается обнаружения эффектов внутрицентрового стимулированного излучения в />-CJc:Ga лазерах, включая исследование влияния одноосной деформации кристалла на внутри центровое излучение /?-Ge:Ga лазера [А1-А8]; использования техники внутрирезонаторной спектросокопии на основе ТГц р-Gc:Ga лазера [А9, А10]; обсуждения возможных схем усилсиия/гсисрации ТГц излучения и экспериментальных исследований по поиску усиления ТГц излучения в объемном кремнии [Al 1. А14, А18, А23, А24, А27, А29-А34, А41, А43, А55, A58J и низкоразмерных полупроводниках мри оптическом [А15, А47] и полевом возбуждении [А54] примесных центров; исследовании усиления ТГц излучения в /?-Ge:Ga лазерах [А 131; экспериментальном измерении времен жизни возбужденных состояний примесных центров [А44, А51J.
Структура н объем диссертации
Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем 217 страниц, включая 158 рисунков и 13 таблиц. Список литературы автора содержит 134 наименований, цитируемой литературы - 192 наименования.
17
Содержание работы
Первая глава содержит обзор литературы по тематике работы с акцентом на спектры локализованных состояний мелких доноров и спектры фононов в кремнии, германии и кремний-гермаииевых сплавах. Приводятся теоретические представления о доминирующих механизмах внутри центровой релаксации при низких температурах решетки, кратко обсуждаются вопросы формирования неравновесных распределений носителей заряда в полупроводниках. Даются оценки времен внутри центровой релаксации в кремнии и германии, полученных из анализа широкого спектра экспериментальных результатов в сравнении с теоретически рассчитанными.
Вторая глава посвящена исследованиям терагерцовых кремниевых лазеров на переходах между возбужденными состояниями мелких доноров в кремнии при их оптической накачке излучением лазеров среднего ИК диапазона - СОг лазеров и частотно-иерсстраиваемым инфракрасным лазером на свободных электронах, ИК ЛСЭ, FELIX, и низких температурах решетки (< 5°К). Разделы 2.1, 2.2 посвящены вопросам изготовления кремниевых кристалов и образцов, и технике эксперимента. В разделе
2.3. обсуждаются механизмы поглощения и внутри центрового усиления ТГц излучения в кремнии, кратко формулируются теоретические предсказания усиления ТГц излучения с указанием ожидаемых схем генерации и условий наблюдения стимулированного излучения. Следующие разделы 2.4-2.6 концентрируются на достигнутых схемах генерации ТГц излучения, приводятся оптические пороги генерации для схем лазеров при резонансной накачке в различные возбужденные состояния донорных центров, спектры излучения лазеров, динамика лазерного излучения, температурные и концентрационные границы эффекта ТГц стимулированного излучения. Исследованию влияния различных кремниевых матриц:
ло
изотопно-обогащснной монокристалл и ческой (с-“ Si:P), природной многоизотопной монокристаллической (c-Si:P) и поликристалл и ческой (me-Si:P), - легированных фосфором, на стимулированное излучение внутрицентровых лазеров посвящен раздел 2.5. В разделе 2.6 приводятся результаты наблюдении усиления ТГц излучения для образцов кремния, легированного междоузельными мелкими донорными центрами 1-ой и Il-ой группы. В разделе 2.7 исследуется влияние стационарных внешних полей, магнитного и электрического, а также одноосной деформации кристалла кремния на функциональность кремниевых лазеров. Раздел 2.8 посвящен исследованию потерь ТГц излучения в оптически накачиваенмх кремниевых активных средах. Ращел 2.9
18
рассматривает эффекты стимулированного ТГц излучения в кремнии при внутри центровом возбуждении доноров.
Третья гласа посвящена исследованиям стимулированного ТГц излучения на основе эффектов нелинейного преобразования частоты инфракрасного излучения, таких как вынужденное комбинационное рассеяние света (раздел 3.2) на электронных резонансах мелких доноров в кремнии и четырехволновое смешение частот (раздел 3.3), при их оптической накачке мощным лазерным излучением среднего инфракрасного диапазона (ИК ЛСЭ). Приводятся данные об оптических порогах генерации, спектральном анализе, временной динамике лазерного излучения.
Лазеры на примесных переходах в дырочном германии, работающие в скрещенном электрическом и магнитном полях при низких равновесных температурах решетки (< 20°К), рассматриваются в четвертой главе диссертации. Механизмы поглощения и усиления ТГц излучения рассмотрены в разделе 4.1. Раздел 4.2. посвящен генерации ТГц излучения на примесных переходах акцепторов Ш-й 1рупны. Результаты измерений усиления ТГц излучения на межподзониых переходах приведены в разделе
4.3. В разделе 4.4 изложены результаты исследования влияния одноосной деформации кристалла германия на перестройку частоты излучения Ое:Са лазеров на примесных переходах.
Пятая глава посвящена особенностям внутри центровой релаксации носителей заряда в кремнии и германии, установленных экспериментальными методами. В разделе 5.1 рассмотрены проблемы экспериментамьного измерения времен релаксации внутрицентрового оптического возбуждения в электронном кремнии. Раздел 5.2 посвящена анализу результатов спектральных исследований кремниевых лазеров ТГц излучения при их внутри центровом оптическом возбуждении (БпАя, ЭЙР). В разделах 5.3-5.5 анашзируются распределения носителей но возбужденным состояниям центра при оптической (для кремния) и электронной (для кремния и германия) накачке.
Шестая глава обсуждает обнаруженное ТГц излучение и его усиление в легированных мелкими донорами кремний-германиевых соединениях: монокристаллах (раздел 6.1) и Я^м^Се* структурах (раздел 6.2), при их оптическом возбуждении. Специальное внимание (раздел 6.3) уделено технике низкотемпературной виутрирезонаториой спектроскопии низкоразмерных полупроводниковых структур на основе ТГц р-Ос лазера с составной конструкцией резонатора.
В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, выражаются благодарности, приводится список литературы.
19
ГЛАВА 1
Мелкие примесные центры и фононы в кремнии, германии и кремннй-германневых соединениях (обзор теоретических и экспериментальных данных)
Спектры локализованных состояний донорпых центров в запрещенной зоне элементарных полупроводников и их соотношение к спектрам колебаний кристаллической решетки полупроводника (фононов) определяет многообразие примесно-фононных взаимодействий, которые, как показывают экспериментальные исследования данной работы, контролируют распределения неравновесных носителей по возбужденным состояниям кулоновских центров в слаболегнрованных полупроводниках при низких температурах кристаллической решетки. В этой связи знание равновесных спектров таких распределений, а также их динамики при внешних возмущениях, является определяющим фактором в задачах исследования возможности создания активных сред на основе структуры энергетического спектра примесных центров в элементарных полупроводниках. Вопросам обнаружения, идентификации и корректного описания примесных и фононных спектров посвящено большое количество исследований, наиболее полный лист публикаций по спектрам примесных центров и фононам можно найти в специализированных обзорных сериях Landolt-Bomstein [2002LB], заслуживает внимания классический обзор по спектрам водородоподобиьтх центров в кремнии и германии А. К. Ramdas, S. Rodriguez [1981R], а также глубокий анализ проблемы в монографии В. Н. Мурзина [1985М]. В этой главе будут отражены основные данные, необходимые для представления структуры спектров мелких примесных центров в кремнии, германии и кремний-германисвых соединений, а также фононных спектров этих полупроводников.
1.1. Водородоподобные н .многозарядные примесные центры в кремнии, германии и кремшш-германневых соединениях
Элементы Ш-й и V-й групп периодической системы, внедренные в узлы (замещаюшие примесные центры) кристаллической матрицы кремния и германия, а также кремний-германиевых соединений, формируют однократно заряженные центры (ионы) со связанным кулоновскими силами притяжения электроном (дыркой). Прямая аналогия такого центра с моделью атома водорода обусловила название такого класса примесей водородоподобными. Наиболее распространенное приближенное описание свойств электронов и дырок - т. н. приближение эффективной массы (ЕМТ), которое основано