Дальнее ИК излучение из одноосно деформированного германия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ПЬ ОД

г о дпр юез

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Нй правах рукописи

КОРОЛЕВ Константин Альбертович

ДАЛЬНЕЕ ПК ИЗЛУЧЕНИЕ ИЗ ОДНООСНО ДВМНШРОВШГОГО ГОШШЯ 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертвцни на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

РвОото выполнена в Ордена Трудового Красного*анамени

ч

Институте радиотехники я электроники РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук, гласный научный сотрудник кандидат физикениатемагаческих наук старший научный сотрудник

ОДициальные оппоненты: доктор ({мзияо-матбматичесхих наук, ведущий научный сотрудник кандидат-физико математических наук, стерший научный сотрудник

Ведущая организация: Физический институт РАН (Москва)

\

Защита диссертации состоится ¿7 мак '993 г. в 13 час. на заседании СпэциалиЕированлого ,Совета К.002.74.01. в Институте радиотехники и электроники FAH по адресу: МП20. Московская обл., г. Фрязино, пл. Введенского, 1. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан и_" __ 1993 г.

М.С.Каган. И.В.Алтухов

А.П.Мельников, И.А.Котельников

Ученый секретарь Свциалиэи ровшшого Совета кандидат физико-математических наук

И.И.ЧусоЕ

-3-

ОЭДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, Исследование поведения электронного газа в сильно неравновесны* условиях является одним из основных направлений современной физики полупроводников. Эти исследования ужа привели к созданию ряда полупроводниковых устройств, работавших в СВЧ диапазоне, таких как диоды Ганна и лавишо-пролетные диоды. Однако эти устройства не позволяют генерировать колебания субмм и дальнего ИК диапазона длин волн, так как их диапазон частот ограничен инерционностью разогрева электронного газа и установления стационарной функции распределения. В последние годы был проведен цикл исследований П), в которых были реализованы новые идеи, позволившие устранить это ограничение. В р-Се при одновременном действии сильных электрических и магнитных полей было обнаружено стимулированное излучение мм, субмм и дальнего ИК диапазонов длин волн, связанное с инверсией в распределении горячих дырок между различными ветвями энергетического спектра.

Имеется несколько работ отечественных и зарубежных авторов о влиянии давления нз это излучение.' В 1987 году в ИРЭ АН СССР впервые было обнаружено стимулированное дальнее ИК излучение горячих дырок в р-Се в отсутствие магнитного поля, но под действием одноосного сжатия Е2]. В настояавй диссертации исследовалось стимулированное и спонтанное излучение из одаоосно деформированного германия.

Стимулированное излучение возникало при тех жэ условиях, при которых возможно появление отрицательной дифференциальной проводимости (0Д11), вызванной переносом горячих дырок в состояния

с большой эффективной массой (3). Образующиеся при этом электрические домены должны существенно влиять на излучение горячих дырок. Эти явления также исследованы в диссертации.

Цель работы - изучение условий возникновения стимулированного дальнего /К излучения из одноосно деформированного p-Ge и выяснение природы инверсии, которая вызывает это излучение; исследование влияния образования электрических доменов на спонтанное излучение и взаимодействия между доменами сильного поля и стимулированным излучением.

Научная новизна работы состоит в следующем.

Для разных кристаллографических направлений (11111 и 11001), вдоль которых осуществлялось одноосное сжатие кристалла, установлена величина порогового давления, при котором в сильном электрическом поле возникает стимулированное дальнее ИК излучение из одноосно деформированного р-Се.

Обнаружено, что спонтанное дальнее ИК излучение из p-Ge в не слишком сильных (меньше 100 В/см) полях экспоненциально уменьшается с ростом давления. Показано, что в деформированном p-Ge функция распределения имеет существенно немаксвелловский вид уже при полях, незначительно превышающих порог ударной ионизации мелкой примеси.

В деформированном p-Ge при температуре жидкого гелия обнаружено возникновение статических доменов. Найдена зависимость порогового поля появления ОДП от давления. Появление ОДП связывается с особенностями стриминга в сильно непараболичной валентной зоне деформированного p-Ge. Установлено, что образование

статического домена существенно влияет на интенсивность спонтанного дальнего ПК излучения из одноосно деформированного германия. Обнаружено взаимное влияние стимулированного излучения и доменной неустойчивости.

Практическая ценность работы.

Продемонстрировано, что одноосно сжатый p-Ge мсхот бить использован в качестве источника стимулированного излучения в дальнем ИК диапазоне длин волн. Преимуществом этого типа генерации является отсутствие сильных магнитик полей. Реализованный источник излучения может быть использован для спектральных исследований в дальнем ИК диапазоне длин волн.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Установлено, что пороговое давление, при котором возникает стимулированное излучение в сильном электрическом поле различно для кристаллографтских направлений [1111 и [100), в ноль которых происходит одноосное сжатие, но соответствует одному и тому же расщеплению валентных подзон Се на анергию оптического фонона.

2) Установлено, что в деформированном р-Се функция • распределения имеет существенно немаксьелловский вид уже при полях, незначительно превишввдих иг х>г ударной ионизации мелкой примеси.

3) В одноосно сжатом p-Ge обнаружено возникновение статических доменов, образующихся из-за отрицательной дифференциальной проводимости, возникавшей при перераспределении горячи дырок между валентными подзонами, растепленными давлением.

Иоказано, что интенсивность спонтанного дальнего ИК излучения в присутствии статического домена контролируется его длиной.

4) Обнаружена взаимосвязь интенсивности стимулированного дальнего ИК излучения и характеристик доменной неустойчивости. В частности, при большой интенсивности излучения домен исчезает и устанавливается однородное распределение поля в образце.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полу]гроводникак и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои, СССР, 1991), Международном симпозиуме по физике полупроводниковых приборов (США, 1991), XXI Международной конференции по физике полупроводников (Китай, 1992), Международной конференции по молимо тровым волнам и дальнему ИК излучению (Китай, 1992), У11 Вильнюсском симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках (Литва, 1992).

Публикации, Основное содержание диссертации опубликовано в семи печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

утруктура и объем диссеташш. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 78 страниц мшшюписного текста, в том числе 1 таблицу, 21 рисунок и список литературы, включающий 36 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теми диссертации, сформулирована ее цель, описана структура диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрены взаимодействие горячих носителей заряда с оптическими фононами, приводящее к резкой анизотропии функции распределения в импульсном пространстве, возможные механизмы возникновения инвертированных распределений горячих носителей в валентной зоне германия, приводящие к появлению стимулированного излучения в сильных электрическом и магнитном полях, некоторые данные о мекзонном дальнем ИК излучении горячих дырок в однооспо деформированном германии, имевшиеся к началу настоящей работы.

Во второй главе приведет результаты исследования спонтанного и стимулированного дальнего ИК излучения из одаоосно деформированного p-Ge.

В работе исследовались кристаллы р-С.е с концентрацией Ga 14 Ч

3-to -10 см . Длина образцов в направлении сжатия составляла 5-10 мм, сечение - 0,5-1 MMt Давление Р и импульсное электрическое поле Е прикладывались в одном из двух кристаллографических направлений: fill] или П003. Измерения проводились при температуре жидкого гелия. Необходимая концентрация носителей заряда создавалась ударной ионисащеа малкой прямеси <Са). Излучение из образца регистрировалось приеавыком из Ge:G;i с чувствительностью в области 100 мкм. Для ограничения спектрального диапазона засветки приемника использовались фильтры из кварца. n-InSb и тефлона, расположенные между образцом и фотоириемником.

-а-

Для образцов с параллельностью боковых (длинных) граней не хуже 20" при пороговых значениях давления и поля (1,5-3 кВ/см для разных образцов) наблюдался скачок излучения, интенсивность которого могла на три порядка превышать интенсивность спонтанного излучения. Для образцов с Р и Г111] пороговое давление составляло 8-11 кбар. щи Р I! 11001 - 6-7 кбар. Скачок излучения всегда сопровождался скачком тока в несколько (2-6) раз.

Существование- пороговых значений Е и Р для возникновения интенсивного излучения свидетельствует о его стимулированном характере. Это подтверждается также определятоей ролью параллельности граней и качества поверхности кристалла. Грубая шлифовка одной из боковых граней генерировавшего образца приводила к исчезновению как скачка излучения, так и скачка тока. После повторной полировки эффект восстанавливался UJ.

Причиной стимулированного излучения является, очевидно, инверсия в энергетическом распределении носителей заряда. Для выяснения возможной причины инверсии было исследовано спонтанное дальнее ИК излучение. Характерной особенностью зависимостей интенсивности излучения от давления в не слишком сильных (меньше 100 В/см) электрических полях является экспоненциальное убывание сигнала с ростом давления. Этот экспоненциальный спад может быть связан с уменьшением концентрации дырок в верхней по анергии зоне, пропорциональной ехр(-Д/ММ [L - величина энергетического зазора между валентными подзонами при к=0, пропорциональная давлению), если считать функцию распределения максвелловской с электронной температурой Т^. Наклон кривых и, следовательно, Тв остается приблизительно постоянным в некотором диапазоне электрических полей (6-20 В/см для [1001 и 8-30 В/см для till)). С другой

сторонц, при фиксированном давлении сигнал растет с ростом поля ь том же диапазоне полей. Это показывает, что концентрация днрок в верхней зоне увеличивается, то есть электронная температура Т^ должна расти. Полученное противоречие показывает, что функция распределения дырок по энергиям в деформировании р-Се сучествешга отличается от максвелловской уже при этих полях.

В отсутствие деформации причиной немаксвелловского вида функции распределения является стриминг Г1), когда вромя ускорония дырок электрическим полем до энергии оптического фонона £о меньше, чем время рассеяния их акустическими фононами. Функция распределения в пространстве импульсов оказывается сильно вытянутой в направлении дрейфа дырок до значения импульса ро= (2тео),/3 (т - эффективная масса дырки). В деформированном германии предельной энергией для безстолкновительного ускорения дырок может бить энергия Д. соответствующая крап отщепленной давлением зоны тяжелых днрок (если Д < ео). При этой ьнергии включается дополнительное акустическое рассеяние легких дорск за счет их перехода в тяжелую зону. Если вероятность таких переходов существенно больше вероятности внутризолного рассеяния легких дырок, то практически все дцрки будут Еинесенц электрическим полем п тяжелую зону. Убогание легких дарок в электрическом поле до гнергии д может быть причиной инверсия. Разогрев тяжелых дарок размывает распределение их по энергиям, и поэтому инверсия заселенности валентных подзон может существовать лишь в не слишком сильных полях. В условиях стриминга функция раопределения дцрок ограничена энергией оптического $<мюна ео. Поскольку в деформированном германии возможны дырочные переходы на дно зоны легких дарок, эта предельная энергия для тяжелых дарок

есть е - Д. После испускания оптического фонона дырки оказываются в нижней по энергии зоне, откуда они быстро выносятся электрическим полем в верхнюю зону. Таким образом, практически все дырки верхней зоны находятся в полосе энегий eQ- Д. С ростом давления эта полоса уменьшается , и при А - eq практически все тяжелые дырки находятся у дна верхней подзоны. В этом случае можно ожидать сильной инверсии. Расщепление зон порядка энергии оптического фонона в Ge (««36 мэВ) достигается в направлении (111) при давлениях » 9 кбар, в в направлении [1001 - при - 6 кбар. Именно при &тих давлениях и возникает стимулированное излучение. Благодаря меньшему пороговому давлению, в направлении 1100] удается получить энергетический зазор между расщепленными давлением валентными подзонами, существенно превышающий энергию оптического фонона ео, и наблюдать срыв стимулированного излучения.

В третьей главе исследовано влияние образования электрических доменов в p-Ge при одноосном сжатии на дальнее ИК излучение горячих дырок.

В p-Ge при одноосном сжатии возникает отрицательная дифференциальная проводимость (ОДП), вызванная переносом горячих дырок в вышележащую подзону, где дырки обладают более тяжелой массой в направлении сжатия и, соответственно, имеют малую подвижность. Флуктуационная неустойчивость ОДП однородного образца приводит, в свою очередь, к образованию электрических доменов. Возможность ОДП в одноосно деформированном Go была предсказана ■ в работе [51, в в работе 16) при гелиевой температуре было обнаружено возникновение ганневских колебаний. В последующих работах ганновские колебания в сжатом p-Ge исследовались при более

высоких температурах: 27 - 160 К [71 и 77 К 18].

В настоящей работе изучалось влияние образования электрических доменов на спонтанное излучение и взаимодействие между доменами сильного поля и стимулированным излучением при температуре жидкого гелия. Образцы и условия эксперимента - те же, что и во второй главе. Давление Р и электрическое поле К прикладывались в кристаллографическом направлении 11111. Для контроля неоднородности поля на боковую грань образца между основными токоеыми электродами наносились один или два зсндових контакта. Использовались два типа зондов - гальванический или емкостной. Емкостной зонд представлял собой полоску металлической фольги шириной 0,5 мм, изолированной от поверхности образца тонкой пластинкой слюды. Вдкостные зонда использовались при исследовании стимулированного излучения, так как они не искажают распределения поля в образце и но нарушают резонансных условий.

Проведенные в работе зондовые измерения показали, что при давлении меньше 4 кбар распределение поля в образце остается однородном вплоть до полей 3.5 кВ/см. При давлении больше 4 кСар наблюдалось образование статических или движущихся гагаювских доменов. В случае движущегося домена, на зонде и в токовой цепи наблюдались ганновскио осцилляции с периодом, соответствующем времени пролета деда на через образец со скоростью около Ю см/с. Распределение поля в образце со статическим домэном имеет ступенчатый вид, а на вольтпмперной характеристике (ВАХ) имеется участок наскшения тока. Насыщение токз обусловлено тем, что с ростом приложенного напряжения увеличивается длина области сильного поля, а значения полей вне и внутри домена не меняются. Напряженность поля в статическом домено Е^ составляла 5-7 кВ/см

для разных образцов и не зависело от давления.

Поло вне домена Е0 уменьшалось с ростом давления. Расположение статического домена у катода показывает, что поле вне домена Е0 соответствует полю в максимуме ВАХ однородного образца С31. Следовательно, максимум ВАХ однородного образца сдвигается к меньшим полям с ростом давления. Уменьшение Е0 с давлением нельзя объяснить в случве диффузионного характера разогрева дырок электрическим полем, так как при увеличении давления доля тяжелых дырок должна уменьшаться, то есть пороговое поле ОДП должно расти. С другой стороны, пороговое поле стриминга Ео для дырок в нижней по энергии зоне в одноосно доформированном германии, определяемое

условием еЕот = (Эп^е^-Д))"* для А < ■ ~ и ]Ео и

еЕот * (2тлео)1'* для Л > - ¡¡¡^}е0 ("1 - время свободного пробега

при рассеянии на акустических фононах, шт и тл - продольные массы тяжелых и легких дырок соответственно), уменьшается с ростом энергетического зазора А, то есть ?. Оценки показывают, что £о действительно совпадает с порогом ОДП Е0.

Полученные данные позволили дать простую интерпретацию зависимостей интенсивности спонтанного излучения от напряжения и давления в сильных электрических полях. Начало линейного роста интенсивности спонтанного излучения с напряжением совпадает с порогом образования домена. Поскольку поле в домене значительно больше, чем поле вне домена, этот рост естественно связывается с увеличением длины домена. Аналогично, при фиксированном напряжении длина домена растет с давлением, так как уменьшается поло вне

домена Е0. Этим объясняется рост спонтанного .излучения с давлением, который начинается как раз при Р, соответствующем полю образования домена. Таким образом, интенсивность спонтанного излучения в обоих случаях контролируется длиной домена.

Стимулированное излучение, возникавшее при пороговом давлении при выполнении резонансных условий (хорошая параллельность граней образца), существенно меняло характеристики доменной неустойчивости. В случае статического домена рост интенсивности стимулированного излучения приводил к изменению полей вне и внутри домена, то есть к изменению формы исходной ВАХ однородного образца. При достаточно большой интенсивности домен исчезал и восстанавливалось однородное распределение поля. Излучение при этом не только не исчезало, но его можно было поддерживать при уменьшении поля (в течение того же импульса напряжения) вплоть до полей ниже порога образования домена. Таким образом, существует гистерезис: при одном и том же приложенном напряжении возможны два режима генерации стимулированного излучения - в присутствии домена и в однородном поле.

Аналогичны; гистерезис в излучении существует и в случае движущихся доменов (при возникновении ганновских колебаний). В этом случае рост интенсивности стимулированного излучения с напряжением приводит сначала к срыву ганновских колебаний и к образованию статического домена, а затем к восстановлению однородности поля. Стимулированное кздттснгв я однородность поля сохраняются при последующем значительном реньхенин приложенного напряжения.

При высокой добротности резонатора стимулированное излучение большой интенсивности возникало при давлении около 4 кбар и

позволяло вообше предотвратить образование доменов. В этом случае доменная неустойчивость не возникала ни при каких давлениях и напряжениях, использованных в эксперименте.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

Основные розультаты. полученные в работе.

1. Установлено, что в одноосно деформированном германии стимулированное излучение горячих дырок в отсутствие магнитного поля возникает при пороговом давлении, соответствующем расщеплению подзон на величину анергии оптического фонона при сжатии как вдоль кристаллографического направления till], так и вдоль 1100).

2. Обнаружено, что спонтанное дальнее ИК излучение из p-Ge экспоненциально уменьшается с ростом давления. Показано, что в деформированном p-Ge функция распределения имеет существенно немаксвелловский вид уже при полях, незначительно превышающих порог ударной ионизации мелкой примеси.

3. Предложен механизм инверсии заполнения валентных подзон в деформированном германии, который заключается в опустошении зоны легких дырок из-за убегания их до энергий, соответствующих вышележащей зоне тяжелых дырок, отщепленной давлением.

4. Приведены оценки, показывающие что эффект выноса легких дырок электрическим полем и накопления их в "тяжелой" зоне может возникать в сравнительно слабых полях и может ' быть причиной инверсии. Инверсия должна существенно усиливаться при расщеплении валентных подзон на энергию порядка энергии оптического фонона, так как при этом предельная энергия, до которой дырки могут разогреваться полем, оказывается близкой к дну зоны тяжелых дырок.

5. С помощью зондовых измерений в одноосно сжатом p-Ge

обнаружено возникновение статических доменов при давлении больше 4 кбар.

6. В присутствии статического домена рост интенсивности спонтанного излучения с давлением и с напряжением обусловлен увеличением его длины.

7. Обнаружено взаимное влияние стимулированного излучения и характеристик доменной неустойчивости. В случав статического домена рост интенсивности стимулированного излучения приводит к изменению полей вне и внутри домена, то есть к изменению формы исходной ВАХ однородного кристалла.

а. Обнаружено, что при достаточно большой интенсивности стимулированного излучения домен исчезает я восстанавливается однородное распределение поля в образце.

9. Обнаружено два режима генерации стимулированного излучения при одном и том же приложенном напряжении: в присутствии дсмена и в однородном поле.

10. Показано, что в случае движущегося домена рост интенсивности стимулированного излучения с напряжением приводит сначала к срыву ганновских колебаний и к образованию статического домена, а затем к восстановлению однородности поля.

11. Установлено, что высокая добротность резонатора позволяет вообще предотвратить возникновение доменной неустойчивости. В этом случае стимулированное излучепе большой интенсивности, возникающее при давлении * 4 кбар, подавляет ОдП и дсмены не могут образоваться.

Основнне результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. И.В.Алтухов, М.С,Каган, К.А.Королев, В.П.Синие, Ф.А.Смирнов. Спонтанное и стимулированное дальнее ПК излучение из одноосно деформированного германия. // Семинар "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах в проблемы их применения в электронике СВЧ", Навои, 1991.. Тезисы докладов, с.26.

2. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korol'ov, V.P.Slnls, F.A.Smlrnov. Far-infrared radiation Irom p-type germanium under uniaxial pressure. //Proc. Int.Semlcond.Device Res.Symp., p.371. USA, 1991.

3. И.В.Алтухов, М.С.Каган, K.A.Королев, В.П.Синие, Ф.А.Смирнов. Дальнее ИК излучение горячих дырок из одноосно сжатого германия. //ЖЭТФ, 1992, Т.101, с.756

4. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korolev, V.P.Slnls, F.A.Smlrnov. Origin and evolution of stimulated emission of far-IR radiation irom unlaxlally compressed p-Ge. //21 Int. Conf. Phys. Semlcond., China, 1992. Abstracts.

5. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korolev, V.P.Slnls. Mechanism and dynamics of stimulated far-IR radiation of hot holes from compressed germanium. //Proc. Int. Conf. of on mm wave and far-IR technology. China, 1992.

6. И.В.Алтухов, M.С.Каган, К.А.Королев, В.П.Синие. Происхождение и развитие стимулированного дальнего ИК излучения из одноосно сжатого p-Ge. //Симпозиум по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках. Вильнюс, 1992. Тезисы, с.43.

7. И.В.Алтухов; М.С.Каган, К.А.Королев, Б.П.Синис. Электрические домены и дальнее ИК излучение в одноосно деформированном p-Ge. //ЖЭТФ, 1S93, Т.103, в.5 С.91-101.

. -17-Цитируемая литература

1. А.А.Андронов. Горячие электроны в полупроводниках и субмиллиметровые волны. //ФГП, 1987, т.21, в.7, с.1153-1187.

2. И.В.Алтухов, М.С.Каган, В.П.Синис. Межзонное излучение горячих дырок в Се при одноосном сжатии. //Письма в ЖЭТФ, 1988, т.47, в.З, с.136-138.

3. В.Л.Бонч-Бруевич,• И.П.Звягин, А.Г.Миронов. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М., "Наука", 1972.

4. Altukhov I.V., Kagan M.S., Slnl3 V.P. Spontaneous and stimulated emission of radiation from hot holes from uniarially stressed germanium. //Opt. Quantum Electronics. 1991, V.23, N.2 (special Issue), P.S211-S216.

5. B.K.Ridley and T.B.Watklna // Proc. Phys. Soc. 1961. V.78. P.293.

6. А.А.Кастальский, С.М.Рывкин // ФТИ. 1967. Т.1. С.622.

7. J.E.Smith. Jr., J.C.licGroddy, and M.I.Hathan // Phys. Rev. 1969. V.186. P.727.

8. N.O.Gram and N.I.Meyer // Phys. Status Solldi. 1970. V.1. P.237.

ротапринт МПС! 10V. 91 * ^ WO