-2-
»глапление
ВЕДЕНИЕ ....................................................... 5
лава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 11
1.1 Сверхзвуковое расширение электронно-дырочной плазмы и проблема
звукового барьера....................................... 11
1.2 Цель, защищаемые положения и практическая значимость результатов
работы................................................... 19
лава 2 ТЕОРИЯ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГИПЕР-
ЗВУКОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 22
2.1 Механизмы лазерного возбуждения сверхкоротких акустических импульсов .................................................... 22
2.2 Особенности распространения гиперзвука и кристаллах..... 29
2.3 Анализ процессов поверхностного фотовозбуждеиня......... 30
2.4 Диагностика сверхзвукового расширения электронно-дырочной плазмы
оптоакустическим методом................................. 34
2.5 РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 2 ..................................... 37
Глава 3 ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕФЛЕКЦИОННЫЙ МЕ-
ТОД ИЗМЕРЕНИЙ МАЛЫХ СМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛ А С ПИКОСЕКУНДНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ 38
3.1 Принцип дефлекщгонных измерений......................... 38
3.2 Экспериментальная схема................................. 41
3.2.1 Оптическая схема установки......................... 41
3.2.2 Система фоторегисградии............................ 41
3.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 3 ..................................... 45
Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 46
-3-
4.1 Геометрия образцов и условия эксперимента.......................... 46
4.2 Эксперименты с монокристаллом Се................................... 48
4.3 Эксперименты с пленкой А1, напыленной на поверхности монокристалла Се 54
4.4 Измерение акустического импульса на возбуждаемой поверхности Се, эксперименты с диэлектрическим зеркалом................................ 60
4.5 Эксперименты с монокристаллом 5|................................... 72
4.6 Исследование изменения коэффициента отражения фотовозбужденных
поверхностей Се и А1............................................... 74
4.7 РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 4 ................................................ 79
лава 5 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 82
5.1 Условия оптоакустическош возбуждения: опенки и предварительный
анализ............................................................. 82
5.2 Методика компьютерного моделирования профилей и спектров импульсов гииерзвука......................................................... 84
5.2.1 Учет геометрических эффектов: эффект уширения дефлекцион-ного сигнала, усреднение но апертуре пробного пучка и по сто положению на поверхности........................................... 84
5.2.2 Сравнение аналитического решения и численного моделирования 85
5.3 Особенности распространения гиперзвуковых импульсов: анализ поглощения и дифракции...................................................... 90
5.4 Механизмы возбуждения гиперзвука................................... 92
5.5 Учет' поверхностной и объемной рекомбипации........................ 97
5.6 Пределы применения квазионтического приближения................... 101
5.7 Анализ экспериментов с диэлектрическим зеркалом на передней поверхности образца..................................................... 105
5.8 Анализ изменения коэффициента отражения........................... 109
5.9 Сверхзвуковое движение фронта электронно-дырочной плазмы в Се . 115
- л -
5.10 РЕЗУЛЬТАТЫ ГЛАВЫ 5 .................................... 122
ЧКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 124
птература.................................................... 126
ВЕДЕНИЕ
эиллскатсльными выглядят перспективы применения сверхкоротких акустических шульсоп. т.е. тперэвуковмх импульсов* в различных областях науки и техники, эд гиперзвуком понимают упругие волны самого верхнего диапазона частот: от 1 Гц и вплоть до максимальных частот акустических фононов 1-10 ТГц [1]. Так, про раяствепная протяженность акустического импульса длительностью та ^ 10“12 с хггавляег /.« & саг4 % 5 х 1(Г7см = 50 А (с0 - скорость звука) и в твердом теле всего •инь на порядок превышает характерный размер ячейки кристаллической решетки, го представляет принципиальный интерес для акусгичогкой спектроскопии и диа-юстики. В последнее время большое внимание уделяется исследованию процессов ззбуждения акустических волн сверхкороткими лазерными импульсами и их рас-ространения как в традиционных объектах исследования - металлах и полупровод* иках, так и разнообразных новых материалах - в сверхпроводниках, в проводящих олимерах, в квантово-раз х«ерных структурах и т.д.
С фундаментальной точки зрения взаихюдействие сверхкорогких акустических мпульсов с кондепсировапными средами затрагипает весь доступный спектр акусги-ЄСКИХ фононов, что позволяет исследовать процессы в предельно широкой полосе ча-тот как в фононной подсистсхіе среды* так и разнообразные явлепия* где сушсствси-іа роль взаимодействия фононной и электронной подсистехс В последнем случае име-тся в виду широкий класс эффектов, начиная от проявлений элсктрон-фоиоииого ізаимодей*гния, до вовлекающих спиновые переменные (магнопы) и коллективные юзбуждеаим электронов (плазмоны). Гиперзвуковая область частот в конденсированных средах затрагивает ряд фундаментальных явлений важных для целого ряда )6ласгей> например, для акустозлектронпки, оптоакустики, магиитоакустикп, пссле-Товгший механизмов дефектообразоьания и транспорта дефектов и т.д. Захістим. что тродвижение вверх по частотам звука приближает нас к "рабочей" области частот гаких популярных и зарекомендовавших себя методов, как спектроскопия спонтанного комбинационного рассеяния света и спектроскопия рассеяния Мандельштам а-Бркллюэна.
6
В пикооекумдиой оптоакустике одной из ключевых проблем оказывается разра-зтка адекватных методов измерения длительности и формы сверхкоротких акусти-сских импульсов» т.е. гииерзвуковых импульсов. Использование пикосекундных и к*мтосекундмых лазерных импульсов для возбуждения и регистрации импульсов ги-ерзвука позволяет разработать уникальные по временному разрешению и чувстви-сльпости системы, что, очевидно, служит осповой методов лазерпой гиперзвуковой иехтроскопии. В то же время отметим, что число экспериментальных работ, опубли-ованных по лазерной иикосскундиой оптоакустике, за 90-е годы более чем скромно порядка десяти, и все они выполнены в нескольких известных лабораториях США, (ионии и Западной Квропы. По-нашему мнению, это свидетельствует о том, что пи-.осекуидпая оптоакустика - весьма трудоемкая и сложная область с точки зрения »кеперимеита, она доступна лишь узкому кругу профессионалов в области лазерной физики и твердого тела.
Оптическая генерация звуковых импульсов в твердом геле была экспсрнмспталь-ю реализована практически сразу после создания лазеров. С помощью рубинового іазера Уайту [2] удалось осуществить термоупругое возбуждение акустических им хулі>сов с длительностью порядка десятков микросекунд. В эксперименте [3] для юзбуждения сверхкоротких акустических импульсов использовались лазерные импульсы длительностью Ті % 70 нс па длине световой волны Л = 1.06 мкм с энергией ^1 — 10 мДж. Длительность наблюдаемых акустических СИГНАЛОВ варьировалась в зависимости от материала образца и его толщины от 0.5 до 0.75 ис.
Для зондирования деформации поверхности часто используется бесконтактный дефлекционный метод, основанный на измерении отклонения пробною пучка, отраженною от деформированной поверхности образца. Такая дефлекционная схема впервые была использована Боккара с соавторами для диагностики гермоупругой деформации приповерхностных слоев образца [4]. Для оптическою возбуждения использовалось излучение непрерывного гелий-нсонового лазера, поглощаемая мощность ^ 10 мкВт. Было исследовано распределение деформации но поверхности раз личного типа поглощающих материалов. Отмстим, что чувствительность дефлекци-01ШОЙ схемы к малым смещениям поверхности образца оіраничнвалась флуктуаци-
7
щи дишраммы направленности излучения лазера и составила 4 х К)**3 А/ Гц *.
По-видимому, первые эксперименты, сочетающие дефлекциониый метод и пнкосе-:упдпые импульсы, были выполнены в 1988 году Розенбергом (5). В его эксперимеп-ах изучался динамический отклик поверхности кремния. В дефлекционной схеме ■озбуждение-зондирование применялся синхронно-накачивнемый лазер на красите-се с длипой волны А = 600 их« и длительностью импульса т\ = 1 пс. При плотности »перги и возбуждения па поверхности кристалла ~ 0.5 мДж/см2 с помощью корреля-(ионной методики была получена зависимость деформации поверхности кремния от 1рсмени с разрешением в единицы пикосскупд. Максимальное смещение поверхно-гги ктйЯ ~ 0.5Д. Чувствительность к малым механическим смещениям поверхности оставила 1.5 х 10“2А/ Гц а.
Исследование пикосекундных акустических колебаний в тонких пленках хрома и иолибдена проведено Райтом и Кавашимой [6]. Эксперименты проведены с использованием дефлекционной схемы, аналогичной вышеуказанной, но с более высокими кастотами детектирования. Увеличение частоты детектирования до 5 МГц позволило поднять чувствительность до 1.5 х 10~3Л/ Гц1/2 при временном разрешении тесколько пикосскупд. Чувствительность дефлекционной схемы определялась минимальной регистрируемой величиной изменения относительной интенсивности света и 5ыла близка к пределу дробовых шумов фототока. Максимальное смещение поверхности составило 3 X 10е"2А.
Последние две работы в представленном выше кратком обзоре послужили нам отправной точкой дня разработки нашего метода дефлекцноиных измерений, использован ного для регистрации гиперзвуковых импульсов. Важной отличительной чертой разработанного метода измерений от цитированных выше работ является то, что зондирование и возбуждение поверхности исследуемого образца (пластинки полупроводника) проводиться с противоположных сторон [7]. При этом акустический импульс, возбуждаемый у передней грани образца, распространяется но исследуемой пластинке и по достижении задней грани деформирует ее, что и регистрируется в пробпом канале. Такой метод позволяет полностью избавиться от оптического взаимодействия пучка возбуждения и зондирования на поверхности образца (например, через
-8-
озмущение коэффициента отражения), имеющего место при возбуждении и зондиро-аиии одной и той же поверхности образца. Такое оптическое взаимодействие пучков озбу ж дени я и зондирования на поверхности образца способно дать дефлекциошшй игиал, который не связан собственно с механическим смещением иовсрхносги образ-.а [5]. Этот дефлекциопиый сигнал сильно затрудняет или делает вообще невозхюж-ым корректные акустические измерения при возбуждении и зондировании одной оверхности образца. Причины появления такого сигнала подробно анализируются в астоящсй диссертации.
Наша система фоторсіястрации, разрабагка которой в основно?.« выполнена в .андидатской диссергации Н.В. Чигарева [8), позволяет измерить малые лазерно-іаведенмьіе смещения поверхвости твердого тела с чувствительностью ^ 0.1 пм/Гц|/а пикосекундным временным разрешением. Мы применили ату систему фото|кп*и-трации для исследования механизмов генерации и распространения гиперзвука в юлупроводниках. Для этого потребовалось разработать методику измерения //о/лмы імпульсов гиперзвука. Особо важно отхсстить, что нам удалось научиться измерять }>орму гииерзвуковых импульсов с прекрасным соотношением сигнал/шум, при том, «то смещения поверхности весьма хеалм не более 10 пм. Такой методический резуль :ат значительно превосходит достигнутые соогиошсиня сигнал/шух« в лучших извсст* 1ых нам дефлекциониых динамических изхсерениях [6]. что открывает возможность »ыполпять спектрос копический анализ по форме импульсов гиперзвука. Последнее «ключаст в себя определение механизхеа и подробностей лазерного возбуждения им-іульса гиперзвука и выяснение особенностей его распространения. Автором был разработан пакет программ для моделирования профилей импульсов гиперзвука в рампах известной теории В.Э. Гусева и проведено сопоставление их с экспериментально лзх<еренных(и профиляхіи. Таких« обратном, путем измерения профилей имнульсов гиперзвука и их сопоставления с ихісюшимисл теоретическими моделями в настоящей работе реализуется мегод лазерной гиперзвуковой спектроскопии.
Отдельное место в диссертации занимает вопрос о сверхзвуковом движении неравновесной электронно-дырочной плазмы (ЭДГ1). Этот классический вопрос физики твердого тела х«ожст быть сформулирован так: могут ли электроны в твердом
-9-
•ле быть ускоренными до скоростей выше звуковых? Эта проблема так называсмо-• звукового барьера активно обсуждалась в 80 е годы, обзору работ в этой обла-и посвящена Глава 1. Мы полагаем, что настоящая диссертационная работа дает 1ределенныЙ ответ на вопрос о звуковом барьере для фронта движущейся ЭДП в элупроводняке.
Диссергация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы.
ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена литературному обзору по вопросам о сверхзвуковом вижспии свободных носителей заряда в полупроводниках. В конце главы сформу-
ированы ЦЕЛИ, ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИ-10СТЬ диссертации.
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены механизмы генерации акустических импульсов, озбуждасмы.х короткими лазерными импульсами (М00 не), т.е. импульсов гипер-вука. Учтены эффекты дифракции и поглощения гиперзвука. Проведен анализ воз-южносги наблюдения сверхзвукового расширения фотовозбужденной электроппо-;ырочной плазмы в монокристаллах кремния и 1ермания.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены: принцип дефлекционных измерений, схема •кеперименталыюй установки и аппаратура высокочувствительной радиочастотной {юторегистрации для задач оптоакусгики. Избыточные шумы лазера спадают с ча-:тотой и выше частоты ~ I МГц при изхсерении мощности излучения твердотельных 1азероп обычно удается выйти на уровень флуктуаций, определяехсый пуаг.сононской гтатистикой фототока. Благодаря этому обстоятельству в работе реализована ориги-1альная система позишюнио-чувсгвигельного фотодетектирования на основе техники синхронно] о усиления и радиодиапазоне с чувствительностью на уровне дробовых шумов фототока.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА содержит результаты экспериментов по регистрации оптоакустического и отражательного отклика поверхности в пластинах (*е н Эь Исследованы эффекты, связанные как с распространением, так и с возбуждением акустического импульса (дифракция, затухание звука). Показано, что механизм оптоаку-г.тического отклика в кристаллах и ве имеет негепловую природу. Представлен х«етод измерения профиля импульсов гиперзвука п области возбуждепия. Проведены
-10-
ксперпмснты на образцах Се с многослойных» покрытием.
В ПЯТОЙ ГЛАВЕ проведено компьютерное моделирование профилей гиперзву-овых импульсов (спектрачьный диапазон 0.1-10 ГГц), учитывающее механизмы воз-уждения гиперзвука (термоупругий и электронно-деформааионный) и его распространения (диф!>акция, поглощение). Сопоставление модельных расчетов с зкспе-•пмеятальными результатами позволило сделать вывод о механизме возбуждения мнульсов гиперзвука в и Се и выяснить особенности их распространения. Позвано, что при поглощении полупроводником (81, Се) пикосекундного оптического 1миульса электронно-деформационный механизм возбуждения звука является основ-(ым. Из результатов анализа измеренных профилей гиперзвука следует, что фронт •лектронно дырочной плазмы в монокристалле Сс, возбуждеипой оптическим импульсом длительностью ~ 100 ас, движется со сверхзвуковой скоростью.
I
-11-
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧИ
: 1.1 Сверхзвуконое расширение электронно-дырочной плазмы и проблема звукового барьера
Ьаимодейсгвие носителей заряда и акустических волн - классическая задача финки конденсированных состояний. Одна из важных проблем связана с направлен-1ЫМ движением носителей заряда с дозвуковой или сверхзвуковой скоросгями. Во ьтором случае акустические волны могут быть усилены дрейфом носителей, и иро-1есс фомониой эмиссии может в принципе стать стимулированным. 13 обоих случаях >жидается сильное обратное влияние возбуждаемых носителями акустических воли, ишрямер, за счет электрон-деформационною взаимодействия, на движение носите-1ей. Данную проблему можно сформулировать в виде вопроса: можно ли ускорить {аправленно движущиеся свободные носители в твердом теле до сверхзвуковой ско-мсти, г.е. они могут ли преодолеть звуковой барьер? С начала 80* х годов этот вопрос истинно обсуждался в основном в связи с динамикой электронно-дырочных капель з Се и 81 при температуре жидкою гелия (подробно эти работы обсуждаются ниже). Электронно-дырочные капли представляют собой уникальный объект для исследова* мия самых разнообразных эффектов взаимодействия электронной и фононной подсистем твердого тела. Отмстим, что все попытки ускорить электронно дырочные капли цо сверхзвуковой скорости не удались. Также в 80-е голы был выполнен ряд гелиевых экспериментов в целом ряде полупроводников и структурах на их основе, из которых следовали противоречивые выводы относительно наличия "звукового барьера” для движения неравновесной ЭДП. Таким образом, до сегодняшнего дня остается неясным - возможно ли направленное движение носителей в твердом теле со скоростью выше звуковой. Ниже приведен обзор, основанный на обсуждении ключевых работ, посвященных данной проблеме. Отметим, что первой этапной работой, всколыхнувшей исследователей и стимулирующей тщательные экспериментальные измерения, была, по-видимому, публикация [!)). В данной работе, посвященной критическому ана-
- Киев+380960830922