Динамика неравновесных электронных и решеточных возбуждений: электронно-дырочные капли и неравновесные акустические фононы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

%ЭССИ5СКЛ* АКАДЕМИЯ НАУК

Физический

нй прав«?с рукописи УДК : 531.311.33

ГАЛИНА Татьяна ИяьЕничяа

;><:н.'.;икка ¡мравковасшз: алехтрозлкх и ракеточках нокбтадйм^ : б^ех^тертго-даротпые та^л; и нерав'чс-есике а^стгчестас фонсам .

01.04,07. - физика твердого тала

А в т о р е $ е р з •

диссертация на соискание уте»-. с доктора ^«.'(Икэ-матома'гг'Ч!!^....'*

'.ста, 1934

Работе ашолкена в Физическом Институте имени П.Н.Лебедева РАН

Официальные оппоненты :

член-корресповдент РАН Я.Е.Покровский

член-корреспондент РАН В.Б.Тимофеев

доктор физ.- мат. наук Б.А.Волков

доктор фаз.- мат. наук В.С.Вавилов

Ведущая организация : Институт Общей Физики РАН Защита диссертации состоится " Ч " апреля 1994 г.

в ___час. на заседании специализированного совета

Д002.39.02. при Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН по адресу:. 117924 Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией моэкно ознакомиться в библиотеке Физического института имени П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан " { " марта 1994 г.

Учений секретарь специализированного совета

профессор, доктор физико-математических наук А.П.Шотов

X. ОБЩАЯ ХАЗДКТКРЙСТИК* Р№ОТЫ Лктуальрость теим и, постановка задачи иссдэ^озаиия.

Процэecu движения неравновесных неептол-зй заряда в совскуп кости с ансамблем фононов, определяющие работу, например, такн> современна приборов, как половые транзисторы (в • том числе з наномасштаСо) на находят в настоящее время исчерпывающего теоретического объяснения.

Когда неэлектронные времена диссипяцки энергии для фононов соизмеримы или больше кх времен взаимодействия с носителями, что характерно для акустических, фононов в полупрезодникэх при низких температурах, мозно охвдать счльно неравновесное состояние для ансамбля неравновесных акустических фононов. Широкий круг вопросов, связанный с теоретическими концепциями, огасыващикя разнообразные фононные системы представлен в монографии ИЗ. Сильные отклонения от равновесия в системе электронов и дырок привлекли пристальное внимание экспериментаторов н теоретиков, в основном, в связи с возможностью создания такого типа неравновесности короткими импульсами света, т.е. после появления лазерных источников света.

Исследования взаимодействия лазерного "¡лучения с веществом и привели в конце 60-?с годов к поя атонию нового направления а физика твердого тела - физике неравновесных коллективных возбуждений. Самое начало развития этого направления ознаменовалось открытием исключительно красивого явления - конденсации ' экситонов в электронно- дырочные капли (ЭДК), предсказанного Л.В.Кэлдашем в 1968г. С2К

Электронно-дырочные капля (ЭДК) представляют собой уникальную модель вырожденной практически нейтральной. плазмы постоянной плотности. ■ Варьирование размерами этих сгустков плазг.а позволяло наблюдать многочисленные • классичсскко и квантовые эффекты при взаимодействии различных возмущений с веществом [31.' Капли также можно рассматривать, как устойчивые сгустки энергии возбуждения, затраченной ira создание неравновесных электронно-дырочных пар.

Тогда kô возник шторе с к динамике ЭДК в связи с предсказания;®! высокой подвижности ЭДК в неоднородных деформационных, магнитных, и т.д. далях [4], а также в связи с относительной простотой диагностики движения облака ЭДК (например, с помощь» зондирования облака ЭДК лазерным лучом).

Однако" самые первые работы по исследовании явлений, возникающих в полупроводниках при достаточно высоких уровнях возбуждения (т.е. когда средние расстояния между экситонами становились порядка боровского радиуса эксктона), демонстрировали спорную интерпретацию обнаруженных явлений. Тем не менее, некоторые эффекта, как, например, "катастрофическое" падение интенсивности излучения ЭДК (точнее исторически - линии излучения с энергией кванта 709 мэВ) в условиях неоднородной деформации 14) или использование удивительной способности взаимодействующих экситонов "убегать" в область максимальной деформации и сливаться в большую каплю [51 практически невозможно было объяснить в терминах альтернативной гипотезы -биэкситонной молекулы.

Л.В.Кедши предсказал один из основных механизмов движения ЭДК "фотонный ветер" 16]. Экспериментально это было подтверждено в [Т], а в 181 было получено прямое доказательство существование фонокного ветра с помощью визуализации распределения облака ЭДК при наличии анизотропного распространения фоионов.

Эти рабсти [6-81 послужили кощркл толчком к разеттию проолемь рассэякия неравновесных акустических фопонов в твердом теле. Таким образом была тгсно связаны две лройлэ.чы - ЭДК и неравновесные фон онн.

Практический жэ аспект всей совокупности работ - как ко ЭДК. так и по их взаимодействию с неравновесными (¡«¡гонам:? -- это отзет на вопрос о том, какое время существует-энергия, запасенная в ЭЕК, каковы пути еЭ диссипации; сюда же нозшр отнести круг вопросов, связанных с определением температуры перегрева при оптическом возбуждении полупроводников, а, следовательно, и с процессами тепдоотвода.

Подставленная диссертация является итогом работ, выполнзншх автором вместе с группой сотрудников в 19Т4 - 1993 гг. и объединенных единим. подходом - интересом к процесса* дискяшии энергия, поглощенной при оптическом возбуадении полупроводчиков - германия и кремния.

Основные направления исследований заключал'? в себя следуицив:

- диагностика движения ЭДК в условиях неоднородной статической деформации;

- взаимодействие ЭДК с динамической когерентной деформацией (ультразвуком);

- увлечение ЭДК одкн^пшми импульсами деформации и тепловыми импульсами (потоком некогерентных нер^ ловзеных акустических фоноков);

- особенности распространения неракювесют акустических фононов в германии и кремнии при оптическом возбумд-лшг;

- конверсия спектра неравновесных акустических фононов в сторону низких частот в аморфной пленке (на примере гидрогенизиро-ванного аморфного кремния);

- б -

- установление локального теплового равновесия при оптическом возбуждении германия и кремния (проблема ."горячего фэнохшого пятна").

Научная новизна .

В диссертации. развивается новое направлен» исследований процессов диссипации энергии при оптическом возбуждении полупроводников : процессов дарения конденсированного состояния окситонов - электронно-дырочных кaпeJíь (ЭДК) в условиях неоднородной статической и дашамической деформации, е т5ю::с процессов распространения неравновесных акустических фонснов, рождаащилсп при ролаксации по энергии фэтовозОукденшх носителей заряда.

В результате проведенных исследований:

- Устранено противоречие при измерениях поляризации фотолюминесценции односно сжатого германия при 2 К, что позволило подтвердить природу этого излучения как линии излучения ЭДК;

- Обнаружено смещение облака ЭДК на несколько миллиметров в условиях неоднородного одноосного сжатия с помощью зондирования этого облака лазерным лучем с 3.39 мкм;

- Обнаружен новый резонансный то температуре) эффект -затухание ультразвука на ЭДК, позволивший наиболее точно определить время релаксации по импульсу для ЭДК в германии. Экспериментальная форма кривой затухания точно описывается теорией, развитой Л.В.Келдышем и С.Г.Тиходеевым !9);

- Обнаружено возникновение капиллярных колебаний ЭДК при увеличении вводимой в образец ультразвуковой мощности;

В поле бегущей ультразвуковой волны обнаружено увлечение ЭДК ультразвуком (акустический ветер) и "возгорание" люминесценции ЭДК;

- Обнаружено увлечение ЭДК со скоростью звука импульсом деформации, возникающим при лазерном облучении образца;

- Измерено затухание поперечных акустических фононов не ЭДК в германии (до 30 %), позволившее объяснить анизотропия пространственного распределения облака ЭДК в направления 11003;

- Обнаружено качественное различие формы тепловых импульсов, вознккакнщх при оптической генерации фононов и *гри генерации фононов нагретой металлической пленкой и предложен механизм этого явления состоящий в том, что при оптической генерации фононов спектр обогащен в высокочастотной области;

- Обнаружено, что при оптическом возбуждении кремния при гелиевых температурах рождаются как продольные, так и поперечные баллистические фононы, длина свободного пробега которых составляет сантиметры;

- Обнаружена конверсия частотного спектра неравновесных фононов (в сторону низких частот) в пленках аморфного кремния и предложено объяснение этого явления, основанное на представлении о существовании двухуровневых систем в подобных пленках:

- Экспериментально установлена область существования "горячего" фононкого пятна - области локального теплового равновесия (в функции плотности поглощенной световой энергии);' для германия и кремния оценены параметры (размеры, йремя жизни и температура) этой области для кремния ка основании теории, развитой Д.В.Казаковцевим и И.В.Левинсояом в [10].

Практическая ценность полученных з работе результатов состоит в развитии экспериментальных методов исследования нестационарного теплоотвода, которые могут быть использованы' в физике твердого тела при получении данных о процессах отвода тепла, -в том числе и в твердотельных структурах'и приборах.

В диссертационной работе азтор защицазт следующие научные положения:

1. Развитые методики исследования транспорта ЭДК в поле неоднородной статической деформации и динамической деформации (ультразвук), а также применение лазерного облучения совместно с разнообразными детекторами деформации, теша и неравновесных фононов (пьезодатчик, болометр, туннельный переход, освещенный р-п переход) обусловили возможность нового подхода к исследованию динамики неравновесных электронных и решеточных возбуждений в

полупроводниках.

2. Под влиянием : а) неоднородной одноосной статической

деформации, б) бегущей ультразвуковой волны (определенной мощности) - акустического ветра, в) потока неравновесных некогерентных фрнонов, г) импульса деформации, инициированного лазерным импульсом, осуществлен перенос неравновесных носителей заряда в виде ЭДК на макроскопические расстояния - до 0.5 см, в последнем случае - со скоростями звука.

3.Обнаруженные максимумы при 2.4 К и 3.2 К затухания ультразвука частотой 160 МГц в фотовосбуждешюм германии объясняются колебаниями ЭДК как целого в ультразвуковой волне и возникновением капиллярных колебаний электронно-дырочной жидкости в каплях.

4.Различный вид разрешенных по времени фононных импульсов, зарегистрированных детектором при оптическом возбуждении полупроводника или при нагреве металлической пленки, нанесенной на образец, указывает на обогащение спектра фононов в высокочастотной области при оптическом возбуждении.

5.При оптическом возбувдении кремния при гелиевых температурах рожденные продольные и поперечные акустические фононы

(после нескольких актов распада) имеют д.'апш свободного пробег-ч <* 1 см.

6.Пленки аморфного гадрогенизировокного кремния обладают способностью к конверсии частоты рожденных при оптически.' возбуждении фононов вплоть до частот 300 ГГц, что легко объяснить наличием двухуровневых систем в таких пленках.

7.При опрвделешшх плотностях"энергии падающего излучения вблизи области возбуждения кристаллов гегиания к кремния кокет устанавливаться температура, существующая в течение определенного времени, т.е. образуется горячее фононное пятно, имеющее определенные размеры и время жизни.

Апщюбация_работа.

Основные результата исследований, вошедаих в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях "Зкситоны в кристаллах" (Вильнюс, 1974г.; Черноголовка, 1976г.), ка IX Всесоюзной конференции по акустоэлектрснике и квантовой акустике (Москва, 1976г.), Всесоюзном совещании по лтинесценцки (Ленинград, 1981г.), на X Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Ь'лпск, 1985г.), I Российской конференции по физике полупроводников (Н.Ковгород, 1993г.), XII Международной конференции по физике полупроводников (Штуттгарт, ФРГ, 1974г.), VI Международном совещании по фотоэлектрически?' и оптическим язлепиям в твердом теле (Варна, Болгария. 1980г.), II,III,V,VI Республиканских коллоквиумах по оптике и сггектроскоыйи голупроаодников и ян.: гектрикои (Сухуми, 1976, 1930, 1934, 1987 гг.), XV Международной хонферзяга« по физике низких температур (Гренобль 197йг.), I Национальной школе по физике тонких пленок (Польша, 198Сг.), Злшй школе по теорети-

ческой Физике (Польиа, 1987г.), II,III Международных конференциях по физике фононов (Будапешт, Венгрия, 1985г.; Гейдвльберг, ФРГ, 1989г.), а также на семинарах и школах <ШН, ИОФАН, ИФТТ, МГУ, ФТК, I® АН Украины, ■ Института физики твердого тела им. Макса Планка и Штуттгартского ' Университета (г. Штуттгарт, ФРГ), лаборатории Сильных Магнитных Полей г. Гренобля (Франция ).

Публикации.

Основные результаты диссортации изложены в 37 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Стр2ктура_диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации 202 страниц машинописного текста, включая 64 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 137 наименований.

II СОДЕГЖАЯИЕ РАБОТЫ.

Бо_еЕей§ник дан краткий исторический обзор состояния проблемы на начало исследований; обоснована ее актуальность; намечена цели и задачи исследования, а также этапы решения этих задач; сформулирована практическая значимость и новизна работы и кратко дано содержание диссертации по главам.

Диагностика, движения. электронно-дырочных. капель ^ЭДг.).

Б первой главе излсз:еш прздетавляташе ныне исторический интерес результаты, каоащиеся споров о природе "новой" (для начала 70-х годов) линии излучения германия при гелиевых тежератураг а сравнительно високих уровнях' оптического возбуждения -• с зпэргаеЯ кванта 709 мяв. Показано, что при одноосном скатки излучений ¡е-той линг*а становится попяризованным гри соличит х сжатия 1000 кГ/ск2, что хорошо укладывается в теоретические расчеты и Пикуса 111) (как линии излучения вырожденной Ферми яикости).

Исследование поляризации рекомСинационкого излучения экситонов при 5.5 К (в отсутствие электронно-дырочных капель) при одноосной однородной деформации гермгния показало, что излучение начинает поляризоваться при са.'.тых малых сжатиях, а поляризация достигает насыщения при величинах расщепления ьалентной зоны совместно со смещением минимумов зоны проводимости > КГ.

Указаны источники "паразитной" поляризации, возникающей при малых сжатиях (50 + 100 кГ/см2), наличие которой подвергало сомнении природу этой линии.

Заметим, что последнюю точку в истории борьбы двух гипотез поставила работа 119), гче было показано при каких экспериментальных условиях возможно наблюдение оиэксит-нод.

В этой хв главе приведены результата эксперимента по зондировании движения облака ЗДК в обрэспрх германия специально" фора, в которых распределение напряжения ги ост-' одноосного сжатия менялось контролируемым образом : площадь с;, перечного сечения образца квадр'п :;чко зависела ач -ысотн. Максимальная «еФпр»»'Л1Ч достигалось в центре- образца, и градами' деФор^.-да позволь« гтолушть равнос.л«"Лй'ЛШОб пьлдавда по напра^лента/ к «агслшз

образца как к ловушке для ЭДК на расстояния до «4ш. Этот эксперимент Сил прямым доказательством перемещения ЭЛК на макроскопические расстоя;иш в условиях статической неоднородной деформации.

Глава_Пл__Взадао£Эйствие_

11:2 ьтразв ¿ком^ .

Вторая глава представляет собой цикл исследований взаимодействия ЭДК с динамической деформацией (ультразвуком). Пр:х введонки в оОразоц ультразвука в образце возникает сила той же природы, что и в случае статической неоднородной деформации, однако б атом случае она (сила) зависит от времени. Наличие внутренней вязкости ЭДК и трение капли о кристаллическую решетку приводят к диссипации энергии ультразвуковой волны. В главе подробно описывается экспериментальная методика наблюдения затухания ультразвука при низких (гелиевых) температурах в условиях оптического возбуждения, разраоотанная совместно с В.Н.Масленниковым (ВНИИФТРЮ. Была выбрана такая частота ультразвука, что длина волны ультразвука А,зь (.20 + 30 мкм) была больше или порядка радиуса ЭДК й (5+3 мкм). Экспериментально было обнаружено, что зависимость поглощения ультразвука от температуры имела максимум в области 2.4 К. Такой характер зависимости резонансного (по температуре) типа определялся моментом равенства частоты ультразвука с частотой столкновения ЭДК как целого с равновесными фононами. Таким образом было наиболее точно определено время релаксации ЭЖ по импульсу (т> 10~9с при 2.4 К).

При увеличении интенсивности ультразвука ЭДК, перемещаясь как целое (совершая колебательные движения), увлекались ультразвуком, а

в определенхзос условиях - больших »«¡шсстях вводящего ультразвука (>3 Вт/см2) и близкого совпадения кзв и Е - носители внутри капли начинали совдраать колебательные движения другого типа -капиллярные колебания килкости в самой ЭДК : было обрзруиено возникновение дополнительной структура на кривой завиосысти затухания ультразвука от температуры при температуре 3.2 К. Л.В.Коданиеч и С.ГЛгасодзевым была развита теория капиллярных колебаний ходкости внутри ЭДК, типа рвз^ердаго эффект? [121. Позднее аналогичные измерения пыли опубликованы в работе ИЗ), где авторам удалось на оспозашш предложенной модежт определить коэффициент поверхностного натякения.

Б этой жс> главе изложены результаты по увлечению ЭДК потеком когерентных акустических фононов низкой частоты (ультразвуком) -"акустическим" ветром (назовем его так в отличие от "фэнонного" ветра). Явление "акустического" ветра было также предсказано в 19), я, в частности, обнаруженный эффект возгорания фотолюминесценции в условиях увеличенной мощности ультразвука, вводимого в образец, также объясняется на основе представлений об увлечении ЭДК ультразвуком. Был поставлен эксперимент по зондированию движения облака ЭДК под воздействием ультразвуковой волны, где било обнаружено увлечение облака ЭДК на расстоянии до 5 км. Теоретическое объяснение полу генных результатов было предложено С.Г.Тиходеевым [14]. развиишим теорию, на основании которой были проанализированы полученные зависимости эффекта увличения в функции мощности и длительности импульса ультразвука..

. В 1977 г. была опубликована работа Хенсела я Дайнсз [153, в которой впервые было обнаружено затухание потока высокочастотных (тепловых) фононов на облаке ЭДК. Наиболее убедительно бняо указано на поглощение продольных акустических фононов- Довольно

быстро возникла ковал область в неравновесных фононсз

визуализация облака ЭДК. Были продемонстрированы как влияние фононной фокусировки на распространение фон^ноз, так и анизотропия 'злэктрон-фононноговзаимодействия £3,15,161. Дал-зз нега интерес были сосредоточат в направлении получе^я движения ЭДК со скоростями звука, . а с другой стороны, влияния полярмзэцля акустичоских фоюков на поглощение фононов ЭДК..

Третья глава описывает результаты экспериментов по взаимодействию ЭДК с пвравповоскнми акустическими фононами в методике тепловых импульсов, а также эффект взаимодействия импульса деформации с ЭДК и экситонами,

Для регистрации прихода ЭДК и экситонов использовался р-п переход, а индикатором неравновесных фононов служил высокочустви-тельнкй сверхпроводниковый болометр ,на основе гранулированного алюминия. (Подробно экспериментальная техника наблюдения распространения неравновесных фононов и их взаимодействия с ЭДК с помощью разнообразных детекторов рассмотрена в ГУ-ой главе).

В Ш-ей главе описывается предложенный и осуществленный эксперимент по увлечению ЭДК, свободных носителей и экситонов импульсом деформации, полученным в результате облучения образца германия мощным лазерным импульсом. Пьезодатчик на основе САБ служил детектором' импульса деформации, а расположенный рядом р-п переход регистрировал перенос фронтом импульса деформации как облака ЭДК, так и всей совокугшой системы неравновеешх носителей

порожденных Соковой оптической подсветкой (ЭДК, экситопов. свободных носзтеяэй) потоком неоавновэсных акустических Фовонов. генерированиях !?ри взаимодействии мощных лазерных импульсов г кристаллом германия.

В этом эксперименте было показано, что импульс дефорлащга переносит ЭДхС на расстояние 'до 0.5 см со скоростью продольного к поперечного ззукя. Ныл повторен эксперимент Хопселе и Дзйяоа 115], но в условиях увеличенного объеме кидкой фазы. Било получено затухание неравновесных поперечных акустических йоноиов =< 30 % (в отличие от нескольких процентов в 1153), что позволило уверенно ооъяснить агазс'ропию распределения облака ЭДК в германия з направлении [100].

Однако не располагали знаниями о поляризациях; частотах и длина/, свободного пробега фенспоь; дальнейшая деятельность была йосБйш-н« разработке "sxr.un: т-плиеых исульсой, котор-ь ш^л предоставить сведения о гокер^цип к распространении неравновесных акустических фононов rrp'i оптическом возбукдешгч.

гозоуздоньи полуп^оЕ^з^жоз. Экссори?,.анталуме_м?тода.

KnaTKHi^oö^oüj.

Четвертая глаза, открывшиеся вто~. часть диссертации, посвящена "?ксперимент»лоноа твлшкв дэтокхлрсзасм фоаошшх импульсов с помощью самых разнообразных детектороз : обычного р-п перехода, сворхпроводкиковых болометров я тунпелытжх переходов. Сверхпроводниксвыэ болометры были пзготоелэны в основном ча основа гранулированного алкиш. Изменяя скорое и. нш-давия, давление кислорода в рибосом ооъот при дошешш и рзсстолнае от подмэг.ка

до маски удалось получить болометры с больше дшдаикесхкл; диапазоном (№* 1 К при То« 1 .в К) и оптимизировать рабочув точку и крутизну зависимости сопротивления от температуры болометра в зависимости от- требований эксперимента. Использовались также оловянные болометры, рабочая точка которых смещалась слабым (« 1 кГс) магнитным полем миниатюрного сверхпроводящего соленоида; туннельные перехода изготавливались с помощью оксидации п тлеющем разряде. Предваряет эту главу краткое описание способов генерации неравновесных акустичзсхих фонснов фотовоэбувдением или лазернш нагревом металличеасих пленок, напыленных нэ поверхность кристаллов.

Хгидрогетзи2двагаом2_крем1^_при_дп

Пятая глава представляет собой описание экспериментов по наблюдению фоноишх импульсов в кремнии при оптическом возбуждении неравновесных носителей. К началу работ (1932 г.) экспериментов по наблюдению режимов распространения фононов при оптическом возбуждении кремния не существовало, а немногочисленные работы, в которых использовался джоулев нагрев для генерации неравновесных фононов ограничивались исследованием фононов с частотами до 1 ТГц.

Описаны предварительные эксперименты по фононным импульсам в кремнии при оптическом лазерном возбуждении с помощью второй гармоники АИГ-лазера большой мощности. Уже в этих экспериментах было замечено, что при распространении вдоль направления [111] ггродольные акустические фононы достигают детектора баллистически, а сигнал поперечных фононов (в связи с нераспадным характером поведения ТА-фононов) приобретает диффузионные черты.

Использование легированных областей в облает« генерации неравновесных фононов (нанесенном легированных пленок на образец чистого кремния или внедрением примесей с помощью ионной имплантации ) ил?! генерации с помощью нагретой лазерным лучом констан-тановой пленки, запыленной на чистый кремний, дали соотношение амплитуд продолжат. и поперечных фспоиов практически совпадащих с расчетным отношением для баллистического режима распространения. Это означает, что при гелиевых температурах и малых уровнях возбуждения (до « 10 мкДж/мм2) основной механизм распространения фоноков частотой 1 + 2 ТГц на расстояниях <* 1 см близок к баллистическому. В таких же экспериментах мы обнаружили затухание продольных фононов на те'рмодонорак, возникающих при термообработке кремния. При изучении влияния контакта кремний/жидкий гелий на фононные отклики при изменении поглощенной энергии был обнаружен эффект нарушения теплового контакта при плотности падаодей энергии >35 мкДх/см2.

Были подозрения, что сама поверхность, или нарушенный приповерхностный слой могут служить источником энгармонизма, потому было решено создать в области генерации максимально разупорядо-ченный слой - аморфную пленку. Когда ке фонолы генерировались в аморфной системе - в пленке аморфного гидрогенизированного кремния, - было зарегистрировано сужение фононных импульсов, их большая "баллистичность" по сравнению с таковыми для монокристаллического кремния. Одновременное использование широкополосного детектора -болометра - и частотно-порогового - туннельного перехода -позволило получить полуколичественную информацию а конверсии частотного спектра неравновесных фононов (при оптическом возбуждении аморфного кремния) в область частот, меньших 300 ГГц, т.е. о существенном обеднении спектра с высокочастотной стороны. Механизм

конверсии фононов в аморфной системе - как предполагается -двухуровневые системы, генетически связанные со связкой 31-Н, что вило впоследствии подтвергщено в других работах 117,18].

Г£12ва_71Л_С^рыирдракие__области__квазщавювесия__в

опстемо неравновесных акустических Кононов в__германки и

¡^мнвд^горячее _фопонное _пятнс£.

Наконец, шестая глава содершт описание концепции и результатов экспериментов по формированию области квазиравновесия в системе неравновесных акустических фононсв в гермаьпи и крвннии -так называемого "горячего пятна".

В результате оптического (лазерного) возбуждения полупроводника при гелиевых температурах под облучаемым участком поверхности в объбме обрезна возникает область, где в зависимости от энергии и длительности импульса, размера светового пятка и специфики кристалла рожденная Фононная неравновесность мокет описываться плснковской функцией распределения. Характеристическая температура отой области отлична от равновесной температуры всего кристалла. Зта область получила назьаше горячего фононного пятна 110,15]. Впаивает интерес как сам процесс установления КЕОзиравно-восил в фокошюй подсистеме, так и характеристика режимов перенос? фопошюй не равновесности по кристаллу. В ответе на все эти вопросы аалокона информация, которая имеет принципиальное значение при изучении проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом -сб установлении температуры при определенных поглощенных энергиях оптического излучения.

Ь VI главе приведет результаты экспериментов по изучению фор-.ировышя горячего пятчя в кристаллах германия.и кремния. В

частности для этих двух материалов установлены пороги критической плотности падающей энергии при которой происходит формиропаш:е

о о

горячего пятна : >3 »пДкЛм для германия и 10 мцДк/ш- для кремния (при значении поглощенной энергии - б мкДк и 0.4 ?<асДк, ссотьотственЕО). В последнее случае одзнош и другие параметры горячего пятна - время тзт (« 300 ¡-500 не), его размер (<* 0.4 т) и температура (TU + 40 X). Применение болометра на основе высокотемпературного сверхпроводника YbaCuO с широким динамическим диапазоном позволило получить линэгпый отклик при таких ьисских уровнях плотности поглощенной анергии, что не удавалось яря использовании болометра из гранулированного алюминия '.в связи с эго насыщение:,;), я в данном экспериы&нто измерить истанвую тешературу горячего пятна, а не его свечение, как в предыдущих экспериментах на германки.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты представленной диссертационной работы, сформулированные в заключении, состоят в следующем (более конкретные результаты указаны в конце каждой главы):

1." Создана новые методы изучения динамики (транспорта) неравновесных носителей заряда, конденсированных в виде элэктронно-дарочнах капель в полях статической и динамической- (ультразвук) неоднородной деформации; развита методика рэгкетрации тепловых (фононннх) импульсов при оптической генерации фотонов с помощью сверхпроводниковых детекторов - болометров и туннельных переходов. Показано, что освещенный р-n переход также мокет служить детектором неравновесных акустических фононов.

2. Исследование поляризации рекомбинациокнога излучения экситоноб при'5.5 К (в отсутствие електронно-дарочных'капель) при одноосной одпородьой деформации германия показало, что излучение начинаем поляризоваться при самых малых сжатиях, а поляризация достигает насыщэния при величинах расщепления валентной зоны совместно со смещением минимумов зоны проводимости ? кТ; измерения в аналогичных экспериментальных условиях при Т= 1.8 К (когда экситоны практически полностью сковденсированы в электроннс-дырочпые капли) показали, что полученная индуцированная сжатием поляризация появляется при сжатиях > 300 + 400 кГ/смг и дальнейшее поведение степени поляризации хорошо согласуется с теоретическими расчетами Вира и Пикуса. Устранено противоречие при измерениях поляризации другими авторами и указаны источники "паразитной" пояризации.

3. Зондированием лучом лазера с Х= 3.39 мкм зарегистрированно движения ЭДК в поле неоднородной деформации на расстояние до 0.5 см.

4. Исследовано взаимодействие ультразвука частот 160 МГц с ЭДК при гелиевых температурах. Обнаружено резонансное (по температуре) затухание ультразвука на ЭДК (при 2.4 К) - при колебаниях капли как целого в ультразвуковой волне и появление другого пика (при, 3.2 К), обусловленного капиллярными колебаниями электронно - дырочной жидкости в каплях, предсказанными С.Г.Ткходеевым и Л.В.Келдышем. С помощью этих измерений определено время релаксации по импульсу ЭДК, равное 10_9сек при 2.4 К.

5. При определенных экспериментальных условиях (увеличении мощности ультразвука до 2+3 Вт/см2) наблюдено возгорание рекомбшгационного излучения ЭДК в германии, объясненное увлечением ОДК ультразвуковой волной и, как следствие, уплотнением облака; с

помоцьв зондирования лазерным лучом обнаружено увлечение ЭДК ультразвуковой полной на расстояния до 0.3 + 0.4 см.

6. ООаарукзао, что при облучении германия лазерным юту ль сом, пззнекезций ямпульс деформации увлекает ЭДК со скоростями звука (продольного и поперечного) на расстояния до 0.5 см.

7. Впервые исследовано распространение неравновесных акустически? фононов, рогсдеэдихся при оптическом возбуждении :трхсталлоз гаркания и крекгшч. Локазано, что форма ч шведение фононнкх импульсов в зависимости от уровня возбуждения к тенпым образом отличаются от фононшх импульсов, рождаемых в образцах нагретой металлической пленкой, что объяснено обогащением высокочастотной области спектра фоноков при оптическом возбуждении полупроводника.

8. Показано, что яри гелиевых температурах значительная доля тепла при оптическом возбуждении (при плотностях падающей энергии до 10 мкДж/нм2) чистого кремния распространяется баллистически на расстояния <* 1 см.

9. Обнаружена термализация фононов в пленках аморфного гидрогенизировашюго кремния, что объяснено на основе существования двухуровневых систем в таких пленках. Прямым экспериментом с помощью широкополосного (болометра) и частотно-селективного (туннельного порвхода) детектороз доказано смещение частотного спектра испущенных фононов в область < 300 ГГц в случав оптического возбуждения аморфной пленки.

10. Впервые исследованы режимы установления квазиравновесия в фононной подсистеме (образование горячего фононного пятна) при оптическом возбуждении германия и кремния. Определены пороги (по плотности поглощенной энергии) образования горячего пятна и некоторые его параметры (время жизни, размеры и температура) для

определенных экспериментальных условий па основе . теории Д.В.Кззаковцева и И.В.Левинсона.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Л.С.Алексеев, Т.И.Галкина, Н.А.Пенин,

Поляризация низкотемпературной фотолшшюсценции г&рмания,

индуцированная деформацией.

Письма Б ЯЭТФ, Т.19, В.7. с.436-439, 1974.

2. А.С.Алексеев, В.С.Багаев, Т.И.Галкина, А.Б.Фрадков, Наблюдение двиаония электроано-дорочных капель а поле неоднородной деформации,

Краткие сообщения по Физике ФИАН, т. 12, с.20-24, 1974.

3. A.S.Alekseev, a'.A.Astemirov, V.S.Bagaev, T.I.Calklna, N.A.Penln, N.N.Sibeldln, V.A.Tsvetko?,

Propertles oí electron-hole droplets ln gennanlum, in: Proc. of XII Intern. СопГ. on Semiconductora, 1974, Stutxgartt, pp.91-95.

4. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, В.Н.Масленников, Е.П.Щебнев, Р.Г.Хакимов,

Влияние конденсированной фазы на поглощение ультразвука в германии. Письма в ЖЭТФ, т.21, b.1U, с.572-582, 1975.

5. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, В.Н.Масленников, Взаимодействие электроино-дарочных капель с ультразвуком в чистом германии,

Труда II Республ. коллоквиума по модуляционной спектроскопии, изд.Мецниереба, ТСяллси, 1975, с. 16-18.

6. А.С.Алексоев, Т.К.Галкина, Л.В.Келдыш, В.Н.Масленников, С.Г'.Тиходебв, Взаимодействие элактронно-дарочных капель с ультразвуком в чистом германии,

Теиисн XIV Меэднар. конф. СЭВ по физике и технике низких температур, Братислава, 1975, с.13.

7. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, Л.В.Келдыш, В.Н.Масленников, С.Г.ТиходееЕ,

Ультразвуковые) методы диагностики конденсации экситонов. Тезисы докладов IX Всесоз. конф. по акустоэлектронике и квантовой акустике, Москва, 1976, с.З.

8. А.С.Алексеев, Т.К.Галкина,

Электронно-дырочные капли в Ge з поле волны упругой деформации, ФТ'Г, т. 18, в.7, с.2005-2010, 1976.

9. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина,

"Возгорание" излучения электронно-дырочных капель под

действием ультразвука.

Письма в ЖЭТФ, Т.28. в.6, с.417-420, 1978.

10. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, В.Н.Маслэнников, С.Г.Тиходвев, Увлечение электронно-дырочных капель ультразвуком.

ЖЭТФ, т.79, в.1(7), С.216-225, 1980.

11. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, В.Н.Маслэнников,

Дрейф электронно-дырочных капель в бегущей ультразвуковой волне, Труды III Респ. коллоквиума по модуляционной спектроскопии, изд."Мецниереба", Тбилиси, 1980, с.154-158.

12. Багаев B.C., Бельска-Леваядовска X., Бонч-Осмоловский М.М., Галкина Т.И..Левандовский С., Михайлова Г.Н.,

Поярков А.]'., Вкг г. Распространение высокочастотных акустических Фононов в германии и их взаимодействие с электронно-дырочными каплями, ЖЗГФ, Т.77, Вып.5(11), С.2117 -2124, 1979.

13. Багаев B.C., Еонч-Осмоловский М.М., Галкина Т.И., Михайлова Г.Н., Поярков А.Г.

Взаимодействие электронно-дарочных капель с поперочными акустическими фононами в германии,

Матер.III Республиканского коллоквиума по модуляционной спектроскопии полупроводников и диэлектриков, Тбилиси, Мецниереба, 1980, с.142-148

14. В.С.Багаэв, М.М.Бонч-Осмоловский, Т.И.Галкина, А.Г.Поярков Детектирование неравновесных фононов р-п переходом в Ge при взаимодействии их с системой неравновесных носителей,

Резюме докладов на VI Мевд. сов. по фотоэлектрич. и оптич. явл. в тв. теле.- Варна.- 1980.- с.38

15. Багаев B.C., Еонч-Ocwзловский М.М., Галкина Т.И., Келдыш Л.Б., Поярков А.Г.

Увлечение злектронно-дырочЕшх капель импульсом деформации, возникающим при лазерном облучении германия Письма ЖЭТФ,- Т.32.- Вып.5.- С.356 - 360, 1980.

16. Bagaev V.S., Bonch-Osmolovskil K.M., üalklna T.I., Keldyah L.V., Polarkov A.G.

Interaction ot Deiormation Pulae and Nonequlllbrlum Phonons with the System of Noneqnlilbrlim Oarrlrers In Ge at Low Temperatures

Aboi.г. of XV Int. Coni. on Phys or Semlcond. Kyoto, 1930//

Journ. of the Phys. Soc. of Japan.- 1980.-V.49.-Suppl.A. pp.495-499

17. В.С.Багаев, М.М.Бонч-Осмоловский, Т.И.Галкина, А.Г.Поярков Неравновоснае фононы и импульс деформации в Ge, р-n переход как детектор неравновесных фононов.

Тезисы докл. Всесоюзн. сов. по лкминисценции. Л-Д.-1981.- C.1G8

18. BagaeY V.S., Levandovsky S.J., Blelska-Levandovska Н.. Bonch-Osmolovskil М.М., Galklna T.I,, Mikhallov G.N., Poyarkov A.G., Jung G.

Use ol Thin Film Superconducting Bolometers for the Investigation oi Interaction of Acoustic Fhonons with Nonequllibrlvm Charge Carriers In Germanium, Proc. of I National Autumn School "Phys. of Thin Films". - Warszawa. - Polish Sclent. Publishers. - 1981 pp.468-472

19. Алексеев A.C.,Бонч-Осмоловский M.M., Галкина Т.И., Левинсон И.Б., Уткин-Эдин Д.П., Термализация' неравновесных фононов в a-Si:H, Письма ЖЭТФ, т.37, Вып.10, с.490-492, 1983.

20. Alekseev A.S., Bonch-Osmolovskil М.М., Galklna T.I., Levlnson I.В., Utkln-Edln D.P.

Thermallzation of Nonequlllbrlum Phonons In a-Si:H P.N.Lebedev Phys. Inst.-Preprint No 132.-Moscow.-1983

21. Алексеев А.С., Блинов A.D., Бонч-Осмоловский M.M., Галкина Т.Н., "Краевой эффект" в сверхпроводящем болометре из гранулированного алюминия,

Краткие сообщения по физике ФИАН, No11, с.12-15, 1984.

22. Алексеев А.С., Бонч-Осмоловский М.М., Галкина Т.И.

Роль условий оптического возбуждения SI в методике тепловых импульсов, Матер. V республиканского коллокв. по опт. и спектроск. полупров. и диэлектр., Сухуми, 1984. Тбилиси.-Мецшереба. -1985. -с.193-199

23. Alekseev A.S., Bonch-Osmolovskii М.М., Galklna T.I. Nonequillbrium Acoustic Phonons in Thin Silicon Layers Abstr. or the II Int. СопГ. on Phonon Pfcys., Budapest, 1985.-/ ed. J. Hollar and N. Menyhard // Budapest.- 1985.-P8-7

24. Alekseev A.S., Bonch-Osmolovskii И.М., Galklna T.I. Nonequillbrium Acoustic Phonons In Thin Silicon Layers

Proc. or the II Int. СопГ. on Phonon Phys., Budapest, 1985. Hong-Kong.- 1985, p.445-448.

25. Elseninenger V,, Alekseev A.S., Bonch-Osmolovskli K.H., Galklna T.I., Kobllnger 0., Lassmann K. Thermallsation of Nonequillbrium Acoustic Phonon Spectrum In a-Si:H, P.N. Lebedev Phya. Inst./ Preprint No 222,1985.

26. Блинов А.В., Бонч-Осмоловский M.M., Галкина Т.И. Рождение и распространение неравновесных акустических, фононов в тонких слоях и монокристаллах кремния при оптическом возбуждении,

Тезисы X Всесоюзн. копф. по физ. полупроводн../Минск, 1985 // Минск.-1985.- ч.III.- с.160 - 161

27. Галкина Т.И.

Тепловые импульсы в полупроводниках: генерация, распространение и детектирование неравновесных акустических фононов..

в сб. ."Неравновесные процессы в полупроводниках", Лонинград, Материалы XII Зикаей школы ФГИ, 1986, с.41-66.

28. Алексеев А.С., Вонч-Осмсловский М.М., Веркялис И.Ю., Галкина Т.Ч., Укзш-Эдаш Д.П.

Тепловые импульсы в тонких слоях кремния при оптическом возбукдении, ФТТ.- 1987.- т.29.- Кэ2.- С.393 - 399

29. Galklna T.I. Generation and propagation of phonona In crystalline рпй amorphous з111соп under optical excitation.

to "Lecture Notes In Physics" v.285, Proc.oi the XXIII Sinter School or Theoretical Physics, Sprlrvjer-Verlag, 198T, pp.410-418.

30. Bench- OhkoIovsKII M.M., Galklna T.I., Ellnov A.Yu., Kobllnger 0., Lassmann K., Elsenmerger Tf. Down-Conversion of High-Frequency Acoustic Phonons by a-Sl:H Phys. Stat. Sojid!.(В).- 1487,- V.144.- P.K87- K91

31. Бонч-Осмоловский M.M., Галкина Т.Н., Покровский Ю.Ю. "Квазибаллистический" режим распространегшя неравновесных акустических фононов в кремнии при оптическом возбуждении Матер. VI республиканского коллокв. по опт. и спектроск. полупров. и диэлектр., Сухуми, 1987. Тбилиси.-Мецниереба.-1988.-С. 26 - 30

32. Bagaev V.S., Galklna T.I., N.N.Sibeldin: Interaction of electron-hole droplets with deformation field, ultrasound and nonequillbrlum phonona // Modern problems In condensed matter sciences, eds.V.Agranovlch, A.Karadudln, Vol.6: Electron-hole droplets ln semiconductors, eds. C.D.Jeffries and L.V.Keldysh,

- -и

Borth-Holland, 1983, pp.267-430. Перевод: Багаев В.С.,Галкина Т.Н., Сибельдин H.H., Взаимодействие электройно-дырочных капель с деформационным полем,ультразвуком и неравновеснши фононами. В ке. "Электронно-дырочные каши в

полупроводниках", п/р К.Джеффриса и Л.В.Келдыша. Москва, изд."Наука", 1988, с.207-316.

33. Bonch-Osmolovskll М.М., GalKliia T.I., PokrovsK.il Yu.Yu., Bllnov A.Yu. Phonon Hot Spot In Crystalllne Germanium Abstr. of the III Int. Conf. on Phonon Phys. and VI Int. Coni. on Phonon Scatt. In Cond. Matter/ Heidelberg, 1^89//НеIdelberg 1989 F. 45.

34. Блинов А.Ю., Бонч-Осмоловский M.M., Галкина Т.И., Данильченко Б.А., Рожко С.Х.

Сверхпроводящие тонколлоночные болометры с регулируемой шириной сверхпроводящего перехода

Краткие сообщения по физике ФИАН.- 1989.- В.7.- С.31- ?3

35. Bonch-Oamolovskil М.М., Galklna T.I., Pokrovskll Yu.Yu., Bllnov A.Yu.

Phonon Hot Spot In Ge Crygtal

Proc. 'of the III Int. Coni. on Phonon Phys. and Vi Int. Conl.on Phonon Scatt. In Cond. Matter/ Heldelberg, 21 -25 Aug. 1989/ Eds. S.Hunklinger, W. Ludwig and G. Welse // World Scientific rubl. Comp.- Singapour. 1990. v.2. pp.1207-1289

36. M.M.Бонч-Осмоловский, Т.И.Галкина, А.Ю.Клоков, Ю.Ю.Покровский, А.И.Шарков,

Динамика 'горячего' фононного пятна в тонких пластинах кремкая при лазерном возбувдении,

Тезисы , докл. I Российской кскф. по физ. полупр., Ншхн. Новгород, т.2, с.212. 1993.

3'I. М.М.Бонч-Осмоловский, Т.И.Галкина, к.V.Клоков, Е.Е.Онищенко, А.И.Шарков,

Особенности распространения тепловых импульсов в подложках креютя после лазерной эпитаксиа УВаСиО. Кр.Сообщения по физике ФИАН, в печати, ¡993.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. В.Л.Гуревич. Кинетика фопонных систем. М.-Л. "Наука", 1980 г.

2. Л.В.Келдыш. Труда IX Меадународпсй конференции по физике полупроводников. Заключительное слово,

П.. "Наука", с. 1386-1392, 1968 г.

3. Ya.E.Pokrov3k.il, Condensation о 1 Non-Equllibrlum Charge Carriera to Semiconductors, Phys.St.Sol.(а),11, pp. 385410,1972.

С.Г.Тиходбев. Электронно-днрочкяя жидкость в полупроводниках. УФН, 145, в.1. с. 3-51, 1985.

4. В.С.Багаев, Т.И.Галкина, О.В.Гоголин, Л.В.Келдиш. Движение элэктронно-дкрочяых пар в германии. Письма в ЗОТФ, т.10, в.7. С.309 - 313. 1969.

5. J.P.Wolfe. HM,. Hansen. Б.Е.Haller, R.S.Karkiewlcz, С.Kittel, C.D.Jerfriea.

Photograph of an Electron - Hole Drop in Germanium. Phya. Rev. Lett., v. 34. N 20, pp.1292 - 1293, 1975.

R.S.Karkiewicz, J.P.Wolfe, С.D..Jeffries, Microwave Dimensional Reamances in Large, Electron - Hole Drops in Germanium, Phys. Rev. Lett., v.32, Ho24, pp.135T-1363, 1974.

6. Л.В.Келдыш ФоношшС ветер и размеры электронно-дырочных капель в полупроводниках.

Письма в КЭТФ, 23, в.2, с. 100 - 103, 1976.

7. В.С.Багаев, Л.В.Келдыш, Н.И.Сибельдии, Б.Н.Цветнов. Увлечение акситонов и электронно-дырочных капель фоношшм ветром. ЖЭТФ, 10, в.2, С. 702 - 716, 1976.

8. M.Greensteln, J.P.Wolfe, Anisotropy in the Shape or the Electron - Hole - Droplet Cloud In Germanium. Phys. Rev. Lett., 41. No 10, pp.715 - 719, 1978. G.A.Northrop, J.P.Wolfe. Ballistic ;honon Imaging in Germanium. Phys. Rev. В., V.22, No 12, pp.6196-2212, 1980.

9. л.в.Келдаш, С.Г.Тиходеев, Поглощение ультразвука электронно-дырочными каплями в полупроводнике. Письма в КЭТФ, т.'21, в.10, с.582 - 585, 1975.

10. Д.В.Казаковцсв, И.Б.Левинсон, Формирование, динамика и взрыв Горячего фононного пятна, ЖЭТФ, т.88, в.6, с.2228 -2243, 1985.

11. Г.Л.Бир, Г.Е.Пикус. Поляризация рекомбинационного излучения свободных носителей в деформированном германии. ФТП, т.2 , в.10, с.1886 - 1892, 1975 .

12.Л.В.Келдыш, С.Г.Тиходеев. Поглощение ультразвука электронно-дырочными .каплями в полупроводниках. ФТТ, т. 19,

В.1, С. 11.1 - 117, 1977.

13. В.Etienne, Z.T.Sander, С.Benoit a* la Guillaume, J.V.Prieur, Capillary-Wave Resonances of Electron - Hole Droplets. Phys. Rev. Lett., v.37, No19, pp.1299-1302, 1976.

14. А.С.Алексеев, Т.И.Галкина, В.Н.Масленников, С.Г.Тиходеев. Увлечение электронно-дырочных капель ультразвуком. ЖЭТФ, т. 79, в.1 (7), с. 216 - 225, 1980.

15. J.C.Hensel, R.C.Dynea. Interaction of Electron-Hole Drops with Ballistic Phonons in Heat Pulses: The Phonon Wind. Phys. Rev. Lett., v.39, No15, pp.969-972, 1977.

16. W.Dletsche, S.I.Kirch, I.P.Wolfe. Phonon Spectroscopy of the electron - hole liquid In germanium. Phys. Rev. B, v.26, No2, pp. 780 - 793, 1981.

17. I.E.Graetner, B.Golding, L.G.Allen. I.C.KnlghtB, D.K.Biegelsen, Thermal properties of a-Sl:H at low temperatures, Phys. Rev. B, 29, No6, pp.3744-3746, 1984.

18. I.Mebert, B.Malle, W.Elsenmenger. High frequency Phonon Tranaaslsslon Through Amorphous Films. In: Proc. of. the Ill-rd Intern. Conf. on Phonon Physics and VI th Intern. Conf. on Phonon Scattering In Condensed Matter, ed. by S.Hunkllnger et al., World Sc. pp. 495-497, 1989.

19. И.В. Кукушкин, В.Д.Кулаковский, В.Б.Тимофеев. Излучение экситонных молекул в одноосно сжатом германии, письма в ЖЭТФ, т.32, В. 4, С. 304 - 308, 1980.

Подписало в печать 23 яньяря 1994 года Ьакъз ,у 25, Тирак 150 экз. П.л.1.9.

Отпечатано в НЕЮ ФИАН

Москва, В-'Ш,Ленинск;-"; проспект,53.