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

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На праввх рукописи

КОРОЛЕВ Константин Альбертович

ДАЛЬНЕЙ ИК ИЗЛУЧЕНИЕ ИЗ ОДНООСНО Д0ФОРМИРОВАННОГО ГЕйШШ 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидате фгаико-математаческих наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного" анамени Институте радиотехники и алоктроникн РАН

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

Ы.С.Каган, И.В.Алтухов

Официальные оппоненты: доктор йиэияо-матбматических наук, ведущий научный сотрудник кандидат-физико математических наук, старший научный сотрудник

А.П.Мельников, И.А.Котельников

Ведущая организация:

Физический институт РАН (Москва)

Защита диссертации состоится ¿7 мая '993 г. в 13 час. на заседании Специализированного Совета К.002.74.01. в Институте радиотехники и электроники РАН но адресу: 1*1120. Московская обл., г. Фрязино, пл. Введенского, 1.

С диссертацией мсжно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан " /(о " (Я-^/Ш^С 1993 г.

Ученый секретарь Сециализировшшого Совета кандидат йнзико-матемэтических наук

И.И.Чусое

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование поведения электронного газа в сильно неравновесных условиях является одним из основных направлений современной физики полупроводников. Эти исследования уже привели к созданию ряда полупроводниковых устройств, работающих в СВЧ диапазоне, таких как диода Гаяна и лавинно-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 Си, 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-йе в отсутствие магнитного поля, но под действием одноосного сжатая 12]. В настояяей диссертации исследовалось стимулированное и спонтанное излучение из одноосно деформированного германия.

Стимулированное излучение возникало при тех же условиях, при которых возможно появление отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП), вызванной переносом горячих дарок в состояния

с большой эффективной массой 13J. Образующиеся при этом электрические домены должны существенно влиять на излучение горячих дырок. Эти явления также исследованы в диссертации.

Ноль работы - изучение условий возникновения стимулированного дальнего ИК 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 ((111) и (100)), 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 р-Се. 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 работа.

Продемонстрировано, что одноосно сжатый р-Се может быть использован в качестве источника стимулированного излучения в дальнем ИК диапазоне длин волн. Преимуществом отого типа генерации является отсутствие сильных магнитных полей. Реализованный источник ислучения может быть использован для спектральных исследований в дальнем ИК диапазоне длин волн.

Основные положения, выносима на защиту.

1) Установлено, что пороговое давление, при котором возникает стимулированное излучение в сильном электрическом поле различно для кристаллографических направлений till] и [ :00), в.чоль которых происходит одноосное сжатие, но соответствует одному и тому же расщеплению валентных подзон Се на энергию оптического фонона.

2) Установлено, что в деформированном р-Ое функция ■ распределения имеет существенно немаксьелловский вид уже при полях, незначительно превышавших ис х>г ударной ионизации мелкой примеси.

3) В одноосно сжатом p-Ge обнаружено возникновение статических доменов, образующихся на-за отрицательно?, дифференциальной проводимости, возникающей при перераспределен!™ горячих дырок между валентными подзонами, расщепленными давленном.

Показано, 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 полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в олектронике СВЧ" (Навои, СССР, 1991), Международном симпозиуме по физике полупроводниковых приборов (США, 1991), XXI Международной конференции по физике полупроводников (Китай, 1992), Международной конференции по миллиметровым волнам и дальнему ИК излучению (Китай, 1992), У11 Вильнюсском симпозиуме по сверхбыстрым яапениям в полупроводниках (Литва, 1992).

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

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

СОДЕРЖАШЕ 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 которем 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 межзонном дальнем ИК излучении горячих дырок в однооспо деформированном германии, имевшиеся к началу настоящей работы.

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

В работе исследовались кристаллы р-Ое с концентрацией Ga 3-1013-10ucm-3. Длина образцов в направлении сжатия составляла 5-10 мм, сечение - 0,5-1 мм? Давление Р и импульсное электрическое поле Е прикладывались в одном из двух кристаллографических направлений: [1111 или (1003. Измерения проводились при температуре жидкого гелия. Необходимая концентрация носителей заряда создавалась ударной иснисацаей мелкой прамэси (Ga). Излучение из образца регистрировалось проеяадоом из Ge:Ga 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.

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 [1111 пороговое давление составляло 8-11 кбар, при Р в [100) - 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 определяющей 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 (4J.

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 энергии зоне, пропорциональной ехр(-Д/ИМ (А - величина энергетического зазора между валентными подзонами при к=0, пропорциональная давлению), если считать функцию распределения максвелловской с электронной температурой Т^. Наклон кривых и, следовательно, Т^ остается приблизительно постоянным в некотором диапазоне электрических полей (6-20 В/см для [1001 и 8-30 В/см для 11111). С другой

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

В отсутствие деформации причиной немаксвелловского вида функции распределения является стриминг И ], когда время ускорения дырок электрическим полем до энергии оптического фонола ео меньше, чем время рассеяния их акустическими Фоноками. Функция распределения в пространстве импульсов оказывается сильно вытянутой в направлении дрейФэ дырок до значения импульса ро= (2тр_о)1 /а (т - эффективная масса дарки). В деформированном германии предельной энергией для беостслкновительного ускорения дырок может Сыть энергия Л, соответствупцая краю отщепленной давлением зоны тяжелых дырок (если Л < во). При этой энергии включается дополнительное акустическое рассеяние легких дирск за счет их перехода в тяжелую зону. Если вероятность таких переходов существенно больше вероятности внутризонного рассеяния легких дырок, то практически все дарки будут вынесены электрическим полем п тяжелую зону. Убогание легки: дарок в электрическом поле до энергии д может быть причиной инверсии. Разогрев тяжелых дарок размывает р£.определение их по энергиям, и поэтому инверсия заселенности валентных подзон может существовать лишь в не слишком сильных полях. В условиях стрпминга функция распределения днрок ограничена энергией оптического Фонона е . Поскольку в деформированном германии возможны дырочные переходы на дно зоны легких дырок, эта предельная энергия для тяжелых дырок

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 е0- Л. С ростом давления вта полоса уменьшается , и при Д <• ео практически все тяжелые дырки находятся у дна верхней подгоны. В этом случае можно ожидать сильной инверсии. Расцепление гон порядка энергии оптического фонона в Се («36 мэВ) достигается в направлении 1111) при давлениях ~ 9 кбар, а в направлении [100] - при - 6 кбар. Именно при откх давлениях и возникает стимулированное излучение. Благодаря меньшему пороговому давлению, в направлении [100) 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 р-Се при одноосном сжатии на дальнее ИК излучение горячих дырок.

В р-Се при одноосном сжатии возникает отрицательная дифференциальная проводимость (ОДП). вызванная переносом горячих дырок в вышележащую подзону, где дырки обладают более тяжелой массой в направлении скатил и, соответственно, имеют малую подвижность. Флуктуационная неустойчивость ОДП однородного образца приводит, в свою очередь, к образовании электрических доменов. Возможность ОДП в одноосно деформированном Сс была предсказана в работе [5), а в работе 16) при гелиевой температуре было обнаружено возникновение ганнсвсккх колебаний. В последующих работах гашювские колебания в сжатом р-Се исслздовались при более

высоких температурах: 27 - 160 К [7] и 77 К 18J.

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 [1111. Для контроля неоднородности поля на боковую грань образца между основными токоеыми электродами наносились о,тин или два зондовых 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. Емкоетние зонды использовались при исследовании стимулированного излучения, так как они не искакагт распределения поля в образце и не нарушают резонансных условий.

Проведенные в работе зондовые измерения показали, что при

давлении меньше 4 кбар распределение поля в образце остается

однородным вплоть до полей 3.5 kB/см. При давлении больше 4 кСар

наблюдалось образование статических или движущихся гагаювеких

доменов. В случае движущегося домена, на зонде и в токовой цепи

наблюдались ганновские осцилляции с периодом, соответствующем

7

времени пролета демзна через образец со скоростью около 10 см/с. Распределение поля в образце со статическим домэном имеет ступенчатый еид, а на вольтамперной характеристик* СВАХ) имеется участок насишения тока. Насыщение токэ 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 домене Е^ составляла 5-7 хВ/см

дла разных образцов и не зависело от давления.

Поле вне домена Е0 уменьшалось с ростом давления. Расположение статического домена у катода показывает, что поле вне домена Е0 соответствует полю в максимуме ВЛХ однородного образца £33. Следовательно, максимум ВАХ однородного образца сдвигается к меньшим полям с ростом давления. Уменьшение Е0 с давлением нельзя объяснить в случае диффузионного характера разогрева дырок электрическим полем, так как при увеличении давления доля тяжелых дырок должна уменьшаться, то есть пороговое поле ОДП должно расти. С друх'Ой стороны, пороговое поле стриминга Ев для дырок в гошюй ио энергии зоне в одноосно деформированном германии, определяемое

(го_

1 ~ т ,!ео и

еЕ т. * (2т„е ),/а для Л > |1

а Л о

> (' - ("I - время свободного пробега

при рассеянии на акустических фононах, тт и тл - продольные массы тяжелых и легких дырок соответственно). уменьшается с ростом энергетического зазора А, то есть Р. Оценю! показывают, что Е^ действительно совпадает с порогом ОДП Ео.

Полученные данные позволили дать простую интерпретацию зависимостей интенсивности спонтанного излучения от напряжения и давлении в сильных электрических полях. Начало лилейного роста интенсивности спонтанного излучения с напряжением совпадает с порогом образования домена. Поскольку поле в домеке значительно Оольшо, чем поле вне домена, этот рост естественно связывается с увеличением длины домена. Аналогично, при <1иксированном напряжении длина домена растет с давлением, так как уменьшается поле 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 сзлутгние и однородность поля сохраняются при последующем значительном реяьгении приложенного напряжения.

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

позволядо вообще предотвратить образование доменов. В этом случве доменная неустойчивость не возникала ни при каких давлениях и напряжениях, использованных в эксперименте.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

Репортов 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 энергии оптического фонона при сжатии как вдоль кристаллографического направления [111], так и вдоль [1001.

2. Обнаружено, что спонтанное дальнее ПК излучение из р-Се экспоненциально уменьшается с ростом давления. Показано, что в деформированном р-Сс 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 анергии 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 односсно сжатом р-Се

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.

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

9. Обнаружено два режима генерации стимулированного излучшшя 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.

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

Основяые результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. И.В.Алтухов, Ы.С,Каган, К.А.Королев, В.П.Синие, Ф.А.Смирнов. Спонтанное и стимулированное дальнее ИК излучение из одноосно деформированного германия. // Семинар "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и 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 from p-type germanium under uniaxial pressure. //Proc. Int.Semlcond.Device Res.Symp., p.371. USA, 1991.

3. И.В.Алтухов, M.С.Каган, К.А.Королев, В.П.Синие, Ф.А.Смирнов. Дальнее ИК излучение горячих дырок из одноосно сжатого германия. //ЮТ», 1992, 'Г. 101, с.756

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

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

6. И.В.Алтухов, M.С.Каган, К.А.Королев, В.П.Синие. Происхоадение 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 а 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 суСмиллиметровые волны. //ФТП, 1987, т.21, в.7, с.1153-1187.

2. И.В.Алтухов, М.С.Каган, В.П.Сшшс. 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., Slnls V.P. Spontaneous and stimulated emission of radiation from hot holes from unierially stressed germanium. //Opt. Quantum Electronics, 1991, V.23, N.2 (special Issue), P.S211-S216.

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

6. А.А.Кастальский, С.М.Рывкин // ФТП. 1967. T.1. С.622.

7. J.Е.Smith, Jr., J.C.McCroddy, and M.I.Nathan // Phys. Rev. 1969. V.186. P.727.

8. N.O.Cram and N.I.Meyer // Phys. Status Solldl. 1970. V.1. P.237.

Ротапринт И9Ти 1.0*93 г /00