Лазер на межподзонных переходах горячих дырок и его применение для исследования полупроводников и наноструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи

ДАНИЛОВ Сергей Николаевич

ЛАЗЕР НА МЕЖПОДЗОННЫХ ПЕРЕХОДАХ ГОРЯЧИХ ДЫРОК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

И НАНОСТРУКТУР

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математический наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук,

профессор Л.Е.Воробьев

Санкт-Петербург 1998

Введение

5

Глава 1. Физические принципы работы лазеров на горячих дырках.

Механизм инверсии населенности носителей...............................................................15

Введение (обзор литературы).....................................................................................................15

1.1. Наблюдение внутри- и межподзонной инверсии населенностей

носителей заряда по энергиям............................................................................................22

1.2. Механизм инверсии населенности дырок...........................................................................26

1.3. Мощность излучения...........................................................................................................31

1.4. Коэффициент межзонного усиления света.........................................................................34

1.4.1. Расчет функции распределения носителей по энергиям с помощью решения уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц..................................................38

1.4.2. Поглощение света при внутри- и межподзонных переходах горячих дырок.........46

1.5. Расчет коэффициента поглощения поляризованного света горячими дырками..............53

1.6. Лазер на циклотронном резонансе тяжелых дырок...........................................................57

Глава 2. Исследование генерации дальнего ИК излучения в

конфигурациях Фогта и Фарадея...................................................................................61

Введение (обзор литературы).....................................................................................................61

2.1. Определение предельной рабочей температуры полупроводникового лазера дальнего ИК диапазона в конфигурациях приложенных полей

Фогта и Фарадея..................................................................................................65

2.2. Экспериментальное исследование коэффициента усщенвд гг.

лазерной среды.....................................................................................................71

2.3. Длинноволновое стимулированное излучение горячими дырками в кремнии................77

2.4. Влияние одноосного сжатия на генерацию излучения в германии...................................81

2.5. Спектры излучения полупроводникового лазера дальнего ИК-диапазона

в конфигурациях приложенных полей Фогта и Фарадея..................................................85

2.6. Получение узкополосной перестраиваемой по спектру

лазерной генерации.............................................................................................................92

Глава 3. Применение лазера на межподзонных переходах горячих

дырок для исследования полупроводников и квантовых ям...................................100

Введение (обзор литературы)..................................................................................................100

3.1. Использование лазера на межподзонных переходах горячих дырок

для исследования циклотронного резонанса в n-InSb.....................................................104

3.2. Внутриподзонное поглощение излучения дальнего ИК диапазона в

квантовых ямах гетероструктур GaAs/AlGaAs................................................................108

Заключение..............................................................................................................................122

Литература автора..................................................................................................................123

Литература...............................................................................................................................127

Введение.

Диссертационная работа посвящена исследованию физических механизмов появления инверсии населенности носителей заряда и характеристик полупроводниковых лазеров нового типа - лазеров дальнего ИК и субмиллиметрового диапазонов, основанных на межпод-зонных переходах горячих дырок в алмазоподобных полупроводниках (таких, как Ое и 81) в скрещенных электрическом и магнитном полях и использованию таких лазеров для исследования полупроводников и, в частности, размерно-квантованных гетероструктур на основе твердых растворов ОаАз/АЮаАБ.

Актуальность темы. Широкое применение излучения дальнего ИК (ДИК) и субмиллиметрового диапазонов в научных и прикладных исследованиях сдерживалось отсутствием простых и недорогих источников на эту область спектра. Используемые в отдельных исследованиях газовые лазеры с оптической накачкой на ДИК область - довольно дорогостоящие и громоздкие устройства. Создание же инжекционных полупроводниковых лазеров на дальний ИК диапазон (А, >30 мкм) наталкивается на трудности принципиального характера. Нужны были новые идеи. В 1979 году А.А.Андроновым и др. (ИПФ АН СССР) [1] была предложена идея создания инверсии населенности носителей заряда и усиления излучения дальнего ИК диапазона

При низких температурах решетки в чистых образцах германия в достаточно сильных скрещенных электрическом Е и магнитном В полях инверсия населенности (ИН) между подзонами тяжелых (ТД) и легких (ЛД) дырок достигается благодаря различной динамике их движения в импульсном пространстве. Усиление и генерация излучения может быть осуществлена при прямых межподзонных переходах из зоны легких в зону тяжелых дырок. Сразу же после появления работы [1] в нескольких научных группах в России и за рубежом начались поиски инверсии населенности в р-Ое. Было исследовано спонтанное излучение горячих дырок в Ое в ФТИ им. АФ.Иоффе АН СССР [2], в ИПФ АН СССР и ФИАН СССР [3], за рубежом [4]. На основании анализа спонтанного излучения был сделан вывод об инверсии населенности горячих дырок. В [5] по данным межподзонного поглощения света горячими дырками была также обнаружена ИН и найдена ее численная величина. Вскоре был создан и лазер на горячих дырках. Стимулированное излучение дальнего ИК диапазона было обнаружено в ЛИИ (ныне СПбГТУ) [6], затем, при других экспериментальных условиях, в ИПФ АН СССР [7]. Там же, а в последствие, и за рубежом, изучались и основные характеристики

лазера. Параллельно исследования стимулированного излучения проводилось и в ЛИИ.

5

Диапазон длин волн генерации лазера на межподзонных переходах дырок с неселективным резонатором составляет примерно А.» 10...210мкм, ширина линии излучения ДА- примерно 20 мкм, мощность - до нескольких Ватт в импульсе. Перестройку этой широкой полосы по спектру можно осуществлять изменением величины приложенных Е и В полей.

Подавляющая часть исследований свойств такого лазера была выполнена на относительно чистых образцах р-Ое с Ыр < 2-1014 см'3 и в конфигурации полей Фарад ея, когда волновой вектор света параллелен направлению магнитного поля, и при температуре жидкого гелия. Однако ряд экспериментов показывает, что конфигурация полей Фогта, когда волновой вектор света перпендикулярен направлению магнитного поля, предпочтительнее. Поэтому одной из задач настоящей работы являлось исследование стимулированного излучения и характеристик лазера в конфигурации полей Фогта по сравнению с конфигурацией Фарадея. Кроме того, при достаточно высоком уровне легирования (Ыр > 2-1014 см'2) условия баллистического движения дырок в пассивной области энергий могут не выполняться, механизм появления ИН и характеристики лазера могут измениться. Поэтому необходимо было проведение исследований ИН и характеристик стимулированного излучения в кристаллах с уровнем легирования А^, > 2-1014 см'3.

Возможности практического использования лазеров на горячих дырках были ограничены из-за широкой полосы излучения. Поэтому осуществление первых шагов по разработке основных принципов создания плавно перестраиваемого во всем диапазоне генерации А, «70...210 мкм узкополосного лазера (лазерного спектрометра) стало после обнаружения стимулированного излучения одной из актуальных задач.

Создание относительно простых в изготовлении полупроводниковых лазеров дальнего ИК диапазона может открыть возможности их использования в научных исследованиях. Особенно удобными они оказываются в тех случаях, когда опыты проводятся при криогенных температурах. Появляется возможность изучения параметров полупроводников и полупроводниковых наноструктур, исследования новых физических явлений.

Следует отметить, что параллельно с исследованием лазеров дальнего ИК диапазона на межподзонных переходах горячих дырок в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях развивались и другие исследования оптических явлений при разогреве дырок в германии. Они увенчались замечательными достижениями. Так в ИПФ АН СССР был создан МЕМАО, в ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР - было обнаружено стимулированное излучение в р-Ое в скрещенных полях при переходах горячих легких дырок между уровнями Лан-

дау и объяснена природа этого эффекта. Дальнейшее развитие эти работы нашли в ФИАН СССР им.П. С.Лебедева, где были обнаружены новые особенности стимулированного излучения при переходах легких дырок между уровнями Ландау и развита теория этого явления (подробнее об этом см. в специальном выпуске [8], обзоре [9], сборниках [10,11]). Еще одно интересное явление - обнаружение в ИРЭ РАН генерации дальнего ИК-излучения горячими дырками в р-Ое при одноосном сжатии в отсутствии магнитного поля [12]. Теория этого явления построена недавно в совместных работах сотрудников ФТИ им.А.Ф.Иоффе и ИРЭ РАН.

Основные задачи работы можно разделить на пять групп:

1) анализ инверсии населенности горячих дырок и усиления дальнего ИК-излучения в дырочном германии в Е ± В по данным спектров поглощения среднего ИК-диапазона (X « 1,8.. .6 мкм) и сравнения с расчетом:

• установление внутри- и межподзонной инверсии населенностей носителей заряда по энергиям;

• определение механизма инверсии населенности дырок;

• расчет мощности излучения;

• расчет коэффициента межподзонного усиления света и функции распределения носителей по энергиям с помощью решения уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц и сравнение с экспериментальными данными;

• расчет поглощения света при внутри- и межподзонных непрямых переходах горячих дырок;

2) исследование стимулированного излучения лазера на межподзонных переходах горячих дырок:

• определение предельной рабочей температуры полупроводникового лазера дальнего ИК-диапазона в конфигурациях приложенных полей Фогта и Фарадея;

• экспериментальное исследование коэффициента усиления лазерной среды в конфигурациях приложенных полей Фогта и Фарадея;

• исследование длинноволнового стимулированного излучения горячими дырками в кремнии;

• исследование влияния одноосного сжатия на генерацию излучения в германии;

• исследование спектров излучения полупроводникового лазера дальнего ИК-диапазона в конфигурациях Фогта и Фарадея;

3) получение узкополосной плавно перестраиваемой по спектру лазерной генерации;

4) демонстрация возможности практического применения лазера на межподзонных переходах горячих дырок в ве для исследования полупроводников и наноструктур:

• исследование циклотронного резонанса в узкозонных полупроводниках;

• исследование поглощения излучения дальнего ИК диапазона при внутриподзонных переходах в квантово-размерных структурах ОаАэ/АЮаАз;

5) Теоретическое исследование возможности создания лазера на циклотронном резонансе горячих тяжелых дырок.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально (по спектрам поглощения излучения среднего ИК-диапазона) и теоретически (на основе решения уравнений баланса) исследована внутри- и межподзонная инверсия населенностей носителей заряда по энергиям в скрещенных электрическом и магнитном полях.

2. Развита методика расчета коэффициентов усиления и поглощения поляризованного света и функции распределения носителей по энергиям, основанная на решении системы уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц.

3. Впервые экспериментально обнаружена и исследована генерация дальнего ИК излучения горячими носителями заряда в 81 в сильных скрещенных электрическом и магнитном полях.

4. Впервые экспериментально показаны преимущества конфигурации полей Фогта перед широко используемой конфигурацией Фарадея.

5. Впервые прямым методом получена величина коэффициента усиления света и определена предельная рабочая температура для обеих конфигураций.

6. Экспериментально и теоретически исследовано внутриподзонное поглощение дальнего ИК излучения в гетероструктурах ОаАэ/АЮаАэ с квантовыми ямами.

7. Теоретически исследована возможность создания лазера на циклотронном резонансе горячих тяжелых дырок

Практическая ценность работы. а) Сконструирован узкополосный лазер дальнего ИК-диапазона на горячих дырках с режимом скачкообразной и плавной перестройки длины волны излучения.

6) Продемонстрированы преимущества лазера в конфигурации полей Фогта перед лазером в

конфигурации Фарадея, что открывает новые возможности в повышении частоты следования импульсов излучения и переходу к квазинепрерывному режиму генерации, в) Показана возможность использования лазера на межподзонных переходах горячих дырок в Се в научных исследованиях, для этого:

• разработаны методика измерения модуляции излучения лазера структурами в импульсном электрическом поле,

• разработана методика расчета внутриподзонного поглощения в двумерных структурах с учетом различных механизмов рассеяния, включая фононы, примеси и рассеяние на шероховатостях поверхности.

г) разработан ряд методик и установок для исследований лазера дальнего ИК диапазона на

горячих дырках, а именно:

• - установка и методика измерения параметров лазера в конфигурациях Фогта и Фарадея при различных температурах;

• - установка для исследования генерации в условиях одноосного сжатия;

• - установка и методика измерения коэффициента усиления излучения дальнего ИК диапазона при разогреве носителей тока;

• - малогабаритная установка для измерения спектра излучения лазера на основе миниатюрного интерферометра Фабри-Перо с зеркалами из металлических сеток, работающего при температуре вплоть до жидкого гелия;

• - методика расчета усиления и поглощения излучения дальнего ИК диапазона при разогреве носителей в Ge и Si с помощью решения уравнений баланса

д) показана возможность создания бесконтактного лазера на циклотронном резонансе тяжелых дырок в германии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Лазер с конфигурацией полей Фогта по ряду характеристик имеет преимущества перед лазером с конфигурацией Фарадея.

2. По данным спектров межподзонного поглощения света среднего ИК-диапазона свободными горячими дырками могут быть получены количественные характеристики инверсной среды.

3. Расчеты на основе уравнений баланса качественно адекватно описывают основные характеристики горячих носителей заряда и инверсной среды в скрещенных Е и В полях.

4. Возможно создание бесконтактного лазера дальнего ИК диапазона на циклотронном резонансе горячих дырок.

5. Узкополосный лазер дальнего ИК диапазона может быть создан методами квантовой электроники. Лазер дальнего ИК диапазона на горячих дырках может быть использован для научных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 18 международных и 8 российских конференциях, семинарах и симпозиумах. Основные из них: 14-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); 16th (Switzerland, 1991) и 23rd (Berlin, 1996) International Conference on Infrared and Submillimeter Waves; International Semiconductor Device Research Symposiums, Charlottesville, USA (1991 and 1995); 8th (Oxford, 1993) and 9th (Chicago, 1995) International Conferences on Hot Carriers in Semiconductors; 15th IEEE Int. Semiconductor Laser Conference (Haifa, Israel 1996); 10-я

Всесоюзная (Кишинев, 1988), 1-я (Н.Новгород, 1993), 2-я (С.-Петербург, 1995) и 3-я (Моск-

9

ва, 1997) Российские конференции по физике полупроводников; Conference on Laser and ElectroOptics - CLEO (Anaheim, USA, 1994, 1996); International Symposiums "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg (1994, 1995, 1996, 1998); 6th, 7th, 9th и 10th Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1985, 1988, 1995 и 1998).

Публикации. По материалам диссертации имеется 44 публикации, из них 15 журнальных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 104 наименования; содержит 133 страницы машинописного текста, в том числе 54 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 посвящена рассмотрению физических принципов работы лазеров дальнего инфракрасного диапазона, экспериментальному и теоретическому исследованию процессов возникновения инверсии населенности носителей заряда по энергиям.

Глава начинается с обзора литературы и истории развития темы. Далее, в первом параграфе представлены результаты по наблюдению внутри- и межподзонной инверсии населенности носителей заряда по энергиям. Из экспериментов по исследованию модуляции поглощения среднего ИК диапазона на переходах тяжелых дырок из подзоны 1 в подзону 3, отщепленную спин-орбитальным взаимодействием, и легких дырок из подзоны 2 в подзону 3 в [5] б�