Излучение и электрические домены, обусловленные разогревом носителей заряда электрическим полем, в арсениде галлия и одноосно деформированном германии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГб од

/ 6 СЕН РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

АЛТУХОВ Игорь Витальевич

ИЗЛУЧЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ РАЗОГРЕВОМ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛИ/, В АРСЕНЩЕ ГАЛЛИЯ И ОДНООСНО ДЕФОРМИРОВАННОМ ГЕРМАНИИ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН

.фициальные оппоненты: - член-корреспондент РАН A.A. АНДРОНОВ, доктор физико-математических наук Ю.Л. ИВАНОВ, доктор физико-математических наук В.А. ВОЛКОВ. Ведущая организация: Московский педагогический государственный Университет им. Ленина.

Защита диссертации состоится 24 сентября 1993 г. в 10 час. на заседании Специализированного совета Д 002.74.01 по защите диссертаций б Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, Москва, Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

4

Автореферат разослан " " августа 1993 года.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ.- мат. наук

С.Н. Артеменко

ОКЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. Поиск и разработка активных систем мм, субмм и дальнего ИК диапазонов электромагнитного спектра, основой которих могут служить сильно неравновесные (немаксвелловские, анизотропные и инвертированные) распределения горячих носителей заряда в полупроводниках является актуальной проблемой физики полупроводников.

Перераспределение электронов мевду долинам! зоны проводимости

в многодолинных полупроводниках типа арсенида галлия в сильных

электрических полях, когда средняя энергия свободных носителей

заряда существенно превышает равновесную, определяемую

температурой решетки, приводит к появлению отрицательной

дифференциальной проводимости (ОДП) (механизм

Ридли-Уоткинса-Хилсума) [1]. В этих условиях исходное однородное

распределение поля в кристаллах оказывается неустойчивым по

отношению к малым флуктуациям объемного заряда. Эта неустойчивость

приводит к образованию в однородно легированном полупроводнике

доменов - областей сильного электрического поля [2]. Если

параметры полупроводника удовлетворяют критерию Кремера, т.е.

произведение концентрации электронов п на длину 1 превышает 1?

величину %Ю см [2], то в нем возникают колебания, связанные с периодическим образованием и движением доменов. Такие колебания с частотой, определяемой временем пролета домена через образец, экспериментально были обнаружены Ганном [3].

В принципе, возможно сохранить однородное распределение поля в кристаллах с ОДП, удовлетворяющих критерию Кремера. Тогда

появляется возможность использования полупроводника с ОДП при сохранении его электрической однородности для усиления и генерации колебаний с частотой, рее не связанной с длиной кристалла (пролетной частотой). Устойчивость однородного распределения поля в полупроводниках с ОДП была исследована достаточно подробно (см., например, обзор [43, монографию [53), однако, ишь для случая, когда в образце имеется только постоянное электрическое поле. Использование полупроводника с ОДП для усиления и генерации колебаний, особенно в области СВЧ, предполагает наличие внешних резонансных цепей. В этих условиях к образцу приложено не только постоянное, но и переменное грещее поле. В частности, в случае автоколебаний в режиме ограничения накопления объемного заряда (0Н03), предлоаенном Коуплендом [63, считалось что поле в полупроводнике однородно, если положительна средняя ва период высокочастотного поля дифференциальная проводимость (о^ > 0), но задача об устойчивости не исследовалась. Исследование устойчивости однородного распределения поля в полупроводниках с ОДП при наличии внешней цепи в условиях одновременного разогрева электронов сильными постоянным и внешним переменным электрическими полями проведено нами в [73, где было показано, что устойчивость однородного распределения поля в кристаллах с ОДП зависит не только от знака о^, но и от знака дифференциальной проводимости по среднему току от- При от< 0 возможен рост медленных возмущений в . цепи питания. Однородное распределение поля в образце оказывается устойчивым только, когда одновременно положительны как средняя за период СВЧ поля дифференциальная проводимость, так и дифференциальная проводимость по среднему току.

Кр:1?ер:з1 устойчивости к неустойчивости однородного распределения поля в кристалле с ОДП, выведенные и экспериментально подтвержденные для случая воздействия на образец постоянного напряжения и переменного напряжения от внешнего псточннка СВЧ колебаний, остаются в силе, когда переменное ¡пряжение возникает на образце за счет автоколебаний в контуре. Если в образце сохраняется однородное распределение поля, то автоколебания в контуре поддерживаются за счет ОДП однородного образца. Этот реким известен под названием ОНОЗ. При невыполнении условш! устойчивости рост малых флуктуации в полупроводнике с ОДП приводит к образованию доменов. Образец с доменом может обладать динамической отрицательной проводимостью на частоте выше пролетной [16]. С этим связано возникновение обнаруженной нами [8] духчастотной генерации.

Одноосно деформированный р-Се также обладает подходящей зонней структурой для возникновения эффекта Ганна. Возможность ОДП в одноосно деформированном Се была предсказана в работе ИI, а в работе [9] при гелиевой температуре было обнаружено возникновение ганновских колебаний. В последующих работах ганновские колебания в скатом р-Се исследовались при более высоких температурах: 27-160 К [10] и 77 К [11].

Излучательные переходы мевду различными ветвями валентной зоны германия ранее изучались, в основном, в сильных электрических и магнитных полях. Это связано с обнаружением в этих условиях стимулированного излучения в милиметровом, субмилиметровом и дальнем Ж диапазонах длин волн [12,13], вызванного возникновением инвертированных распределений горячих носителей заряда в валентной

зоне [14]. Наш было обнаружено интенсивное дольнее Ш излучение, имевшее стимулированный характер, которое возникало в образцах одноосно деформированного р-С-е в грзющих электрических полях в отсутствие магнитного поля.

Н^льщ настоящей рзботы било исследование обнаруженной нами "двухчастотной генерации" - высокочастотной генерации при одновременной генерации пролетках колебаний, исследование обнаруженной наш высокочастотной генерации в распределенных полупроводниковых структурах из арсенида галлия с дзинущишся доменами; исследование в одноосно деформированном герлзяии спонтанного и обнаруженного нами стимулированного излучения дальнего МК диапазона и выяснение природы инверсии, которая вызывает это излучение; исследование влияния образования электрических доменов на спонтанное излучение и взаимодействия мевду доменами сильного поля и симулированным излучением.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1) Обнаружено возбуждение автоколебаний мм диапазона без внешнего резонатора в кольцевой полупроводниковой структуре из арсенида галлия с движущимся кольцевым доменом. Установлено, что автоколебания в ней возникают из-за неустойчивости движущегося домена относительно нарастания электромагнитных волн с волновым вектором, направленным поперек направления движения домена. Фазовая скорость волны, определяющая частоту автоколебаний, существенно меньше скорости света в однородном полупроводнике и увеличивается с ростом напряжения на образце, т.е. с ростом толщины домена.

2) В одноосно деформированном германии обнаружено стимулированное дальнее ИК излучение горячих дырок в отсутствие магнитного поля, связанное с инверсией в распределении горячих дырок п:,' экортии в валентной зоне германия.

3) Установлено, что интенсивность спонтанного дальнего Ж излучения из одноосно сжатого германия в сильных электрических полях определяется характеристиками электрических доменов, возникающих из-за ОДП, вызванной переносом горячих дырок в состояния с малой подвижностью. Экспериментально обнаружено существование статического домена. Установлено, что возникновение ОДП связано со стримингом в сильно непараболической валентной зоне деформированного германия.

4) Обнаружено взаимное влияние стимулированного дальнего ИК излучения и характеристик доменной неустойчивости. При большой интенсивности излучения домен исчезает и устанавливается однородное распределение поля в образце. Стимулированное излучение при однородном распределении поля в образце сохраняется при уменьшении приложенного напряжения низке порога образования доменов.

5) Установлено, что предельной энергией для стршдшга в верхней по энергии зоне, является энергия, соответствующая переходу дырки в дно нижней зоны с испусканием оптического фонона. Существование такого стршинга подтверждает накопление дырок вблизи дна верхней по энергии валентной зоны.

Эти результаты выносятся на защиту.

Достоверность____результатов определяется перекрестным

характером и повторяемостью проведенных опытов на большом числе образцов. Некоторые результаты (возникновение стимулированного излучения в отсутствие магнитного поля, а также поведение спонтанного излучения в зависимости от электрического поля и давления) подтверждены последующими работами исследователей из ИГО РАН, Н.- Новгород.

Практическая_ценность_работы:

Реализован перестраиваемый полупроводниковый генератор электромагнитного излучения мм диапазона без внешнего резонатора, который может быть использован, например, в качестве гетеродина в микроволновых интегральных схемах; продемонстрирована возможность лазерной генерации дальнего ИК диапазона в отсутствие магнитного поля. На активные полупроводниковые устройства получено с соавторами 6 авторских свидетельств на изобретения: Генератор сверхвысокочастотных колебаний - АС N66063!, 1979; Генератор сверхвысоких частот - АС N876024, 1981; СВЧ-генератор -АС N928935, 1982; Генератор СВЧ - АС N1179884, 1934; Диод Ганна- АС N1107722, 1984; Полупроводниковый усилитель - АС N1327752, 1985.

Апробация_работы.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на IY л Y Симпозиумах по физике плазмы и неустойчивостям б полупроводниках (Вильнюс, 1980, 1983), III Всесоюзном симпозиуме по мм и субмм волнам (Горький, 1930), Теоретическом семинаре секции научного совета АН ССОР по проблеме "Плазма и неустойчивость в полупроводниках" (Фергана, 1980), Совещании по теории полупроводников (Ташкент, 1985), Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988), Международных конференциях

по миллиметровым волнам и дальнему Ж излучению (Китай, 1990, 1992), XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,

1990), XX и XXI Международных конференциях по физике полупроводников (Греция, 1990; Китай, 1992), Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои,

1991), Мевдународном симпозиуме по физике полупроводниковых приборов (США, 1991), YIII Вильнюсском симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках (Литва, 1992).

Пубжкация_материалов_дассертациил

Основные результаты диссертации полностью опубликованы в трудах вышеперечисленных конференций и в работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 150 стр. машинописного текста, в том числе 1 таблицу, 40 рисунков и список литературы, включающий 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены результаты исследований процессов, возникающих в многодолинных полупроводниках при разогреве электронного газа, приводящих к динамическим ОДП и инвертированным распределениям, имевшиеся к моменту начала работы над диссертацией, обосновзна актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель и задачи, показана новизна, описана структура диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены результаты исследования обнаруженных автором усиления электромагнитной волны и генерации колебаний с частотой выше пролетной в сосредоточенных и распределенных структурах из арсенида галлия. Величина динамической высокочастотной ОДП образца с бегущим доменом (коэффициента малосигнального усиления) зависит от режима генерации на пролетной частоте. В частности, наблюдался парадоксальный экспериментальный факт: при введении в резонатор пролетных колебаний затухания (поглотителя), коэффициент усиления увеличивался. Сопоставление расчетных зависимостей активной части периода пролетных колебаний (относительного времени пребывания домена в образце) с экспериментом для различных пролетно-резонансных режимов показало, что величина коэффициента усиления определяется изменением среднего (за период "низкочастотных" - пролетных - колебаний) времени существования домена в образце, когда импеданс образца -отрицательный. Эту высокочастотную отрицательную проводимость образца с доменом можно использовать и для возбуждения резонатора, собственная частота которого существенно превышает обратное время пролета домена. Такая "двухчастотная генерация" в полупроводниках с мекдолинными электронными переходами, перспективная для мм диапазона длин волн, была обнаружена и подробно исследована. Автоколебания в этом режиме происходят одновременно на двух в общем случае некратных частотах: на частоте периодического пролета электрических доменов по образцу (пролетной частоте) и на существенно ее превышающей частоте, определяемой внешним резонатором. Колебания с частотой, превышающей пролетную, являются выходными. Их особенностью является слабая амплитудная модуляция

генерируемого излучения с помощью собственных доменных (пролетных) колебаний того же образца. Малосигнальное усиление внешнего высокочастотного сигнала при одновременной генерации пролетных колебаний является прямым экспериментальным доказательством того, что образец с бегущим электрическим доменом обладает отрицательной проводимостью на частоте, существенно превышающей пролетную. Эта отрицательная проводимость является физической причиной колебаний с частотой выше пролетной при двухчастотной генерации. Высокочастотные колебания нарастают в присутствии домена и затухают, когда домена в образце нет. Поэтому для получения наибольшей высокочастотной мощности выходных колебаний в двухчастотном режиме выгодно увеличивать относительное время пребывания домена в образце, а это соответствует малым амплитудам напряжения пролетных колебаний. При большой амплитуде высокочастотных колебаний, нарастающих в резонаторе из-за отрицательного сопротивления образца с доменом, домен может исчезнуть и установиться стационарный режим 0Н03, возбуждение колебаний в котором является жестким. Если в пролетных режимах частота определяется временем пролета доменов по образцу и реально не может быть очень высокой (необходимо переходить ко все более коротким образцам), то выходные колебания при двухчастотной генерации возможны и экспериментально наблюдались в мм диапазоне, поскольку их частота уже не связана с длинной кристалла.

В распределенных структурах динамическая ОДП стационарно движущегося домена сильного поля, ответственная за усиление и генерацию на частоте выше пролетной, может приводить к нарастанию электромагнитных флуктуации. В полупроводниковой структуре с

достаточно большими размерами в поперечном (по отношению к току) направлении движущийся домен всегда неустойчив [15]. Эта неустойчивость приводит к генерации электромагнитных колебаний с частотой, определяемой поперечными размерами полупроводниковой структуры. Действительно, в кольцевой полупроводниковой структуре с движущимся ганновским доменом нами обнаружены СВЧ колебания, для. которых сам полупроводник с электродами служил объемным резонатором. В этом случае электромагнитная волна распространяется вдоль периметра кольца. Проведенные опыты показали, что электрическое поле волны в диаметрально • противоположных точках кольцевой структуры оказалось противоположно направленным. Противофазность сохранялась и при вращении структуры вокруг оси.

Частота автоколебаний в кольцевой структуре определяется ее периметром и фазовой скоростью электромагнитной волны. Установлено что в полупроводнике с доменом фазовая скорость электромагнитной волны существенно меньше скорости света в однородном полупроводнике, определяемой его решеточной диэлектрической проницаемостью. Фазовая скорость увеличивается с ростом напряжения на образце, то-есть с ростом толщины домена. Замедление электромагнитной волны связано с тем, что электрическое поле волны сконцентрировано в домене, тогда как магнитное в первом приближении равномерно распределено по рабочему слою полупроводника. Если проводить аналогию с длинной линией, то это равносильно увеличению погонной емкости с сохранением той же погонной индуктивности, что и приводит к уменьшению фазовой скорости волны, распространяющейся в линии.

Таким образом, показано, что генерация в кольцевых

полупроводниковых структурах связана с неустойчивостью движущегося домена сильного поля относительно нарастания электромагнитных волн. Полученный результат отличается от известного [16], найденного с учетом только продольных (электрических) флуктуаций, относительно которых устойчивость домена целиком определяется внешней цепью ( в частности, в режиме заданного напряжения домен устойчив).

Вторая глава. В 2.1 - 2.2 представлен обзор литературы, в котором рассмотрены взаимодействие горячих носителей заряда с оптическими фононами, приводящее к резкой анизотропии функции распределения в импульсном пространстве (2.1) и возможные механизмы возникновения инвертированных распределений горячих носителей в валентной зоне германия, приводящие к появлению стимулированного излучения в сильных электрическом и магнитном полях (2.2).

В 2.3 приведены результаты исследования обнаруженного автором стимулированного дальнего ИК излучения горячих дырок в германии при одноосной деформации в отсутствие магнитного поля.

В работе исследовались кристаллы p-Ge с концентрацией Ga 3-1013-1014см~3. Длина образцов в направлении сжатия составляла

о

5-10 мм, сечение - 0,5-1 мм. Давление Р и импульсное электрическое поле Е прикладывались в одном из двух кристаллографических направлений: [111] или [100]. Измерения проводились при температуре жидкого гелия. Необходимая концентрация носителей заряда создавалась ударной ионизацией мелкой примеси (Ga). Излучение из образца регистрировалось приемниками из Ge:Ga,

S1:B и Ge:Zn, перекрывающими диапазон длин волн от 30 до 120 мкм.

Для образцов с параллельностью боковых (длинных) граней не хуже 20я 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 [111] пороговое давление составляло 8-11 кбар, при Р н И00] - 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.

Измерение длины волны с помощью интерферометра Майкельсона, расположенного в том же криостате (без вывода излучения наружу) показало, что она составляет при пороговом давлении 80 - 120 мкм для разных образцов.

В главе 3 приводятся результаты исследования спонтанного и стимулированного излучения горячих дырок из одноосно деформированного германия, проведенные для изучения особенностей разогрева носителей в сильно непараболичной анизотропной валентной зоне и выяснения причины инверсии.

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 можно связать с умэньгискием концентрации дырок в верхней по энергии зоне, пропорциональной ехр(-А/кТв) (А - величина энергетического зазора между валентными подзонами при к=0, пропорциональная давлению), если считать функцию распределения максвелловской с электронной температурой Тв. Наклон кривых и, следовательно, Тв остается приблизительно постоянным в некотором диапазоне электрических полей (6-20 В/см для [100] и 8-30 В/см для [111]). С другой стороны, при фиксированном давлении сигнал растет с ростом поля в том же диапазоне полей. Это показывает, что концентрация дырок в верхней зоне увеличивается, то есть электронная температура Тв должна расти. Полученное противоречие показывает, что функция распределения дырок по энергиям в деформировании рЧ}е существенно отличается от максвелловской уже при этих полях.

В отсутствие деформации причиной немаксвелловского вида функции распределения является стрнминг [17], когда время ускорения дырок электрическим полем до энергии оптического фонона 50 меньше, чем время рассеяния их акустическими фононами. Функция распределения в пространстве импульсов оказывается сильно вытянутой в направлении дрейфа дырок до значения импульса ро= (2те )1/а (га - эффективная масса дырки). В деформированном германии предельной энергией для бесстолкновительного ускорения дырок может быть энергия А, соответствующая краю отщепленной давлением зоны тяжелых дырок (если А < £0). При этой _ энергии

включается дополнительное акустическое рассеяние легких дырок за счет их перехода в тяжелую зону. Если вероятность таких переходов существенно больше вероятности внутризонного рассеяния легких дырок, то практически все дырки будут вынесены электрическим полем в тяжелую зону. Убегание легких дырок в электрическом поле до энергии Л может быть причиной инверсии. Разогрев тяжелых дырок размывает распределение их по энергиям, и поэтому инверсия заселенности валентных подзон может существовать лишь в не слишком сильных полях. В условиях стриминга функция распределения дырок ограничена энергией оптического фонона в0. Поскольку в деформированном германии возможны дырочные переходы на дно зоны легких дырок, эта предельная энергия для тяжелых дырок есть е - А. 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 е - А. С ростом давления эта полоса уменьшается , и при А * в0 практически все тяжелые дырки находятся у дна верхней подзоны. В этом случае можно ожидать сильной инверсии. Расщепление зон порядка энергии оптического фонона в ве (« 36 мэВ) достигается в направлении И 11] при давлении « 9 кбар, а в направлении [100] - при <* б кбар. Именно при этих давлениях и возникает стимулированное излучение. В направлении [100] удается получить энергетический зазор мезду расщепленными давлением валентными подзонами, существенно превыщащий энергию оптического фонона 5 , и наблюдать срыв стимулированного излучения.

В 3.3 приводятся результаты исследования спонтанного дальнего ИК излучения из одноосно деформированного германия в скрещенных

электрическом и магнитном полях. Так же, как и в отсутствие деформации, наложение поперечного магнитного поля приводит к возгоранию спонтанного дальнего ИК излучения, что свидетельствует об образовании в верхней зоне магнитной ловушки, сязанной со стримингом [18,191. Критическое магнитное поле образования ловушки растет с давлением. Причиной этого является, во-первых, сильная непараболичность верхней зоны, из-за чего эффективная циклотронная масса носителей возрастает, т.е. носители в верхней зоне "тяжелеют". Во-вторых, стриминг в верхней зоне деформированного германия отличается тем, что предельной энергией при баллистическом ускорении дырки в электрическом поле является энергия е0 - А, при которой дырка имеет большую вероятность перейти в дно нижней зоны, испустив оптический фонон. Таким образом циклическое движение носителей при стриминге в деформированном германии включает в себя этап их переноса из нижней зоны в верхнюю. Существенную роль в таком переносе оказывает отщепленное состояние примеси. Действительно, примесный уровень при деформации ращепляется [20] и его верхнее по энергии состояние (для направления [111] при Р » 4 кбар) оказывается в сплошном спектре нижней подзоны. Именно при этом давлении возникает низковольтное стимулированное излучение в резонаторе с высокой добротностью. С другой стороны, срыв стимулированного излучения происходит при ращеплении зон на величину энергии ■>• 50 мэВ, когда разность энергий верхнего состояния акцепторного уровня и дна нижней зоны оказывается равной энергии оптического фонона.

В 3.5 обсуждается возможность стимулированного излучения, связанного с инверсией прямых оптических переходов горячих дырок

меаду расщепленными состояниями примеси.

В четвертой главе исследовано влияние образования электрических доменов в рЧЗе при одноосном сжатии на дальнее ИК излучение горячих дырок и взаимодействие между доменами сильного поля и стимулированным излучением при температуре жидкого гелия. Образцы и условия эксперимента - те же, что и в третьей главе. Давление Р и электрическое поле Е прикладывались в кристаллографическом направлении [111].

Проведенные в работе зондовые измерения показали, что при давлении меньше 4 кбар распределение поля в образце остается однородным вплоть до полей 3,5 кВ/см. При давлении больше 4 кбар наблюдалось образование статических или движущихся ганновских доменов. В случае движущегося домена, на зонде и в токовой цепи наблюдались ганновские осцилляции с периодом, соответствующим времени пролета домена через образец со скоростью около 10^ см/с. Распределение поля в образце со статическим доменом имеет ступенчатый вид, а на вольтамперной характеристике (ВАХ) имеется участок насыщения тока. Насыщение тока 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 составляла 5-7 кВ/см для 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 ВАХ однородного образца [5]. Следовательно, максимум ВАХ однородного образца сдвигается к меньшим полям с ростом давления. Уменьшение Е0 с давлением нельзя

объяснить, если разогрев дырок электрическим полем имеет диффузионный характер, так как при увеличении давления доля тяжелых дырок должна уменьшаться, то есть пороговое поле ОДП должно расти. С другой стороны, пороговое поле стриминга Е^ для дырок в -нижней по энергии зоне в одноосно деформированном германии, определяемое условием:

еЕсг = (2шт(еа-А))1/г для Л < (1 - ^ ]ео

(т - время свободного пробега при рассеянии на акустических фононах, тт и тл - продольные массы тяжелых и легких дырок соответственно), уменьшается с ростом энергетического зазора Д, то есть Р. Оценки показывают, что Е действительно совпадает с

С

порогом ОДП Е .

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 Ене домена, этот рост естественно связывается с увеличением длины домена. Аналогично, при фиксированном напряжении длина домена растет с давлением, так как уменьшается поле вне домена Е . Этим объясняется рост спонтанного излучения с давлением, который начинается как раз при Р, соответствующем поли образования домена. Таким образом, интенсивность спонтанного излучения 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.

Аналогичный 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 излучение и однородность поля сохраняются при последующем значительном уменьшении приложенного напряжения.

При высокой добротности резонатора стимулированное излучение большой интенсивности возникало при давлении около 4 кбар и позволяло вообще 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 результаты.полученные в работе

1. Экспериментально обнаружено, что диод Ганна с движущимся доменом обладает динамической ОДП на частоте много больше пролетной. Эта ОДП приводит к обнаруженной нами двухчастотной генерации - возбуждению автоколебаний во внешнем резонаторе при одновременной генерации пролетных колебаний.

2. Обнаружено возбуждение автоколебаний мм диапазона без внешнего резонатора в распределенной кольцевой структуре из арсенида галлия с движущимся кольцевым доменом. Автоколебания в ней возникают из-за неустойчивости движущегося домена относительно нарастания электромагнитной волны с волновым вектором, направленным поперек направления движения домена.

3. Установлено, что частота автоколебаний кольцевой структуры соответствует электрической длине ее периметра; фазовая скорость электромягчи-?н<.-й ьоляк в полупроводнике с доменом существенно меньш!? скорости светя к однородном полупроводнике и увеличивается с ростом напряжения на оЗрчзце, т.е. с ростом толщины домена.

5 однооено деформированном германии обнаружено ' V г: 'V'; ■.':: р о и ь н н о в дальнее Ж излучение горячих дырок в отсутствие г.:';го поля, связанное с инверсией заселенности валентной зон;;. 'Экспериментально доказан стимулированный характер излучения, возникающего в резонаторе, образованном самим кристаллом с параллельностью граней не хуже 20". Измерена длина волны стимулированного излучения, составляющая 100 мкм.

5. Установлено, что пороговое давление, при котором возникает стимулированное излучение в сильном электрическом поле, различно для кристаллографических направлений [111] и [100], вдоль которых

происходит одноосное сжатие, но соответствует одному и тому же ращеплению валентных подзон германия на величину энергии оптического фонона.

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

7. На основании обнаруженных особенностей разогрева дырок в деформированном германии предложен механизм инверсии заполнения валентных подзон. Возможной причиной инверсии может быть опустошение зоны легких дырок из-за убегания их до энергий, соответствующих вышележащей зоне тяжелых дырок, отщепленной давлением. 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.

8. Показано, что стриминг - вытянутая вдоль электрического поля функция распределения - существует и в верхней по энергии подзоне, отщепленной сжатием. Установлено, что предельной энергией для этого стриминга является энергия, соответствующая переходу дырки в дно нижней зоны с испусканием оптического фонона.

9. На основании совокупности экспериментальных фактов предложен механизм переноса носителей в верхнюю валентную подзону

одноосно деформированного германия при участии отщепленного состояния акцепторной примеси, расположенного при давлении больше ■1 кбар в сплошном спектре нижней подзоны.

10. В деформированном вдоль кристаллографического направления [111] германии обнаружено возникновение статических доменов при давлении больше 4 кбар. Пороговое поле образования статического дс:,:эна падает с давлением и соответствует полю возникновения стрлминга в нижней по энергии подзоне. Предложено объяснение ОДП в одноосно сжатом германии, связанное со стримингом в сильно непараболической за счет деформации нижней валентной зоне. Измерено поле в домене, которое составляло 7 кВ/см, что много больше поля вне домена. Наблюдаемый рост интенсивности спонтанного излучения при увеличении напряжения и/или давления обусловлен расширением домена.

11. Обнаружено, что при расщеплении валентных подзон на величину энергии оптического фонона стимулированное излучение возникает при напряжении, соответствующем некоторой критической длине домена. При большем давлении та же критическая длина домена достигается.при меньшем напряжении и, соответственно, генерация возникает при меньшем напряжении. При любом напряжении увеличение расщепления подзон до энергий 50 мэВ приводит к срыву генерации.

12. Экспериментально показано, что интенсивное стимулированное излучение приводит к исчезновению домена и восстановлению однородного поля в образце. Стимулированное излучение при однородном распределении поля в образце сохраняется при уменьшении приложенного напряжения ниже порога образования домена.

13. 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.

14. Установлено, что высокая добротность резонатора позволяет вообще предотвратить появление доменной неустойчивости. В этом случае стимулированное излучение возникает в полях, незначительно превышающих порог ударной ионизации мелкой примеси при давлении ^4кбар. Интенсивный излучательный переход переводит дырки из состояния с малой подвижностью в состояние с большой подвижностью. Необходимая для ОДП концентрация дырок с малой подвижностью убывает и домены не образуются.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Алтухов И.В., Васильева H.A., Каган М.С., Калашников С.Г., Кукушкин В.В, Лукаш B.C. Двухчастотная генерация в диодах Ганна. //ФТП, 1979, 13, 1971-1977.

2. Алтухов И.В., Каган М.С., Калашников С.Г., Кукушкин В.В, Соляков В.Н. О режимах генерации в диодах Ганна на частоте выше пролетной. //ФТП, 1979, 13, 2316-2322.

3. Алтухов И.В., Каган М.С., Калашников. С.Г., Кукушкин В.В. Влияние режима пролетно-резонансных колебаний в диодах Ганна на усиление и генрацию СВЧ колебаний с частотой выше пролетной. IY Всесоюзный симпозиум: Плазма и неустойчивости в полупроводниках, Вильнюс, 1980, (тезисы).

4. Алтухов И.В., Каган М.С., Калашников С.Г., Кукушкин В.В, Овечкин С.М. Усиление электромагнитных колебаний диодами Ганка с двивуякмисп доменами. //Письма в ИТФ, 1980, 9, 548-551.

5. Алту;:ов ., Каган М.С., Калашников С.Г., Кукушкин В.В. Сскоьоь у;:э;гло кольцевой полупроводниковой структуры с ОДП. Y Всесоюзный симпозиум: Плазма и неустойчивости в полупроводниках, Вильнюс, 1983, (тезисы).

6. Алтухов И.В., Каган М.С., Калашников С.Г., Кукушкин В.В, Лукаш B.C., Соляков В.Н. Автоколебания в кольцевых полупроводниковых структурах. //Письма в ЖТФ, 1983, _10, 626-630.

7. Алтухов И.В., Галченков Л.А. Каган М.С., Кукушкин В.В. Электромагнитные волны в кольцевых полупроводниковых структурах с движущимся ганновским доменом. //ФТП, 1985, J9, 2085-2087.

8. Алтухов И.В., Каган М.С., Синие В.П. Дальнее ИК излучение из p-Ge при одноосном сжатии. XI Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Кишинев, 1988, (тезисы, с.123).

9. Алтухов П.В., Каган М.С., Синие В.П., Межзонное излучение горячих дырок в Ge при одноосном сжатии. //Письма в ЖЭТФ, 1988, т.47, в.З, с.136-138.

10. I.V.AltuMiov, M.S.Kagan, and V.P.Slnis. Far Infrared Hadlatlon from Unlaxlally Compressed p-type Ge. //Proc. Int. Conf. on millimeter wave and far Infrared technology, China (1989), p.439-442.

11. Алтухов M.В., Каган M.С., Синие В.П. Дальнее ИК излучение из одноосно деформированного германия. XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Киев, 1990, (тезисы, с.171).

12. Altukhov I.V., Kagan M.S., Sinis V.P. Far-IR radiation of hot holes from unlaxlally compressed germanlm. 20 Int.Conf. on the Physics of Semiconductors. Greece, 1990, (Abstracts, p.269).

13. Altukhov I.V., Kagan M.S., Sinis V.P. Spontaneous and stimulated emission of radiation from hot holes from uniaxially stressed germanium. //Opt. Quantum Electronics, 1991, v.23, N.2 (special issue), P.S211-S216.

14. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korol'ov, V.P.Sinis, P.A.Smlrnov. Par-infrared radiation from p-type germanium under uniaxial pressure. //Proc. Int.Semicond.Device Res.Symp., p.371. USA, 1991.

15. И.В.Алтухов, M.С.Каган, К.А.Королев, В.П.Синие, Ф.А.Смирнов. Дальнее ИК излучение горячих дырок из одноосно сжатого германия. //ЮГФ, 1992, Т.101, с.756 -763.

16. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korolev, V.P.Sinis. 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.

17. I.V.Altukhov, M.S.Kagan, K.A.Korolev, V.P.Sinis. Origin and evolution of stimulated emission of far-IR radiation from uniaxially compressed p-Ge.// 21 Int. Conf. Phya. Semicond., China, 1992. Abstracts.

18. И.В.Алтухов, M.С.Каган, К.А.Королев, В.П.Синие. Электрические домены и дальнее ИК излучение в одноосно деформированном p-Ge. //ЖЭТФ, 1993, т.103, в.5 с.91-101.

19. Altukhov I.V., Kagan M.S., Sinis V.P. Gunn domain and stimulated far-IR radiation In p-Ge under uniaxial deformation. //Physics Letters A, 1993, v.176, N.1,2, p.133-136.

ЛИТЕРАТУРА

1. B.K.Ridley and T.B.Watklns. The possibility of negative resistance In solids. // Proc. Phys. Soc. 1961. V.78. P.293.

2. Krosmsr H. Theory of the Gunn effect.//Pros.IEEE, 1964, v.52, N. 12, p.1736.

3. Gunn J.B. Instabilities of current in 3 -5 Semiconductors.//IBM J. Res. Dev., 1964, v.8, N.4, p.141 -159.

4. Волков А.Ф., Коган Ш.М. Физические явления в полупроводниках с отрицательной проводимостью.//УФН, 1968, т.96, вып.4, с.633 -672.

5. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Миронов А.И. Доменная неустойчивость в полупроводниках. Москва, "Наука", 1972.

6. Copeland J.A. A new mode of operation for bulk negative resistance oscillators.//Pros.IEEE, 1966, v. 54, N.10, p.1479.

7. Алтухов И.В. и др. Электрическая неустойчивость полупроводника с ОДП при одновременном нагреве электронов постоянным и переменным электрическими полями. //ФТП, 1978, т.12, N.12, с.299-306.

8. И.В. Алтухов и др. Миллиметровое излучение диодов Ганна, модулированное пролетной частотой.//Письма в ЖТФ, 1976, т.2,с.477.

9. А.А.Кастальский, С.М.Рывкин. Ганн-эффект в одноосно сжатом германии. // ФТП. 1967. Т.1., 0.622.

10. J.E.Smith, Jr., J.C.McGroddy, and M.I.Nathan.Bulk current Instabilities in uniaxially strained Germanium. // Phys. . Rev. 1969. V.186. P.727.

11. N.O.Gram and N.I.Meyer. High frequency current oscillations in stressed p-type Germanium // Phys.Status Solidi. 1970. V.1. P.237.

12. Л.Е.Воробьев и др. Обнаружение генерации длинноволнового ИК излучения горячими дырками в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях. //Письма в ЖЭТФ, 1982, т.35, в.9, с.360.

13. Ю.Б.Васильев, Ю.Л.Иванов. Индуцированное субмиллиметровое излучение на переходах между уровнями Ландау легких дырок в германии.// В книге: Полупроводниковые мазеры на циклотронном резонансе. ИПФ АН СССР, Горький, 1986.

14. А.А.Андронов. Горячие электроны в полупроводниках и субмиллиметровые волны. //ФТП, 198Т, т.21, в.7, с.1153-1187.

15. Галченков Л.А. Неустойчивость движущегося домена в распределенной полупроводниковой структуре. ФТП, т. 19, N11, 1985, с.1965 -1969.

16. Knight B.W., Peterson G.A., Phys. Rev. J.,155, 393, 1967.

VT. Barafi G.A. Maximum Anlsotropy Approximation for Calculation Electron Distribution; Application to High Field Transport in Semiconductors. //Phys. Rev., 1964, v.133, N. 1a, p.26-38.

18. Ю.Л.Иванов. Возгорание разогревной люминесценции в поперечном магнитном поле. //Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, в.10, с.539.

19. В.И.Гавриленко и др. Наблюдение эффекта накопления легких дырок в p-Ge в скрещенных электрическом и магнитном полях по оптическим измерениям в далекой Ж области. //Письма в ЖЭТФ, 1982, т.35, в.2, с.81.

20. Вир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках., Москва, 1972.

Подписано в печать 12.07.1993г.

Формат 60x84/16. Объем 1,63 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.124.