Лазеры терагерцового диапазона частот на примесных центрах в кремнии и германии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Павлов Сергей Геннадьевич

ЛАЗЕРЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ НА ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРАХ В КРЕМНИИ И ГЕРМАНИИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2010 г.

00460*

004606117

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики микроструктур РАН и Институте исследований планет Немецкого аэрокосмического центра (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt, Berlin).

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

Шастин Валерий Николаевич, Институт физики микроструктур РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН, профессор Андронов Александр Александрович, Институт физики микроструктур РАН

доктор физико-математических наук, профессор

Фирсов Дмитрий Анатольевич, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович, Московский педагогический государственный университет

Ведущая организация: Физический институт имени П. Н.

Лебедева Российской академии наук

Защита состоится 1 июля 2010 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан 19 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного спиетя_______.

доктор физико-математических Hayic^---^^""^

профессор / К. П. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Терагерцовый диапазон частот электромагнитного спектра (1-10 ТГц), альтернативно называемый также длинноволновым/дальним инфракрасным диапазоном длин волн (30-300 мкм), представляет значительный интерес в современных фундаментальных и прикладных исследованиях. Продвижение в данный спектральный диапазон может существенно раздвинуть достигнутые границы исследований в радиоастрономии для исследования физических процессов на ранней стадии развития Вселенной; в молекулярной и твердотельной спектроскопии - для изучения спектров колебаний органических соединений и спектров состояний конденсированной среды, ее дефектов и др. (см., например, монографию [1]). С прикладной точки зрения привлекают возможности терагерцового излучения в биологии для ранней диагностики дерматологических заболеваний; в системах безопасности - для дистанционного обнаружения потенциально опасных органических материалов, а также в системах сверхплотной и/или скрытной передачи информации. Основной проблемой развития перечисленных направлений является отсутствие доступных и эффективных источников терагерцового (ТГц) излучения, и, в первую очередь, ТГц полупроводниковых лазеров. Традиционные инжекционные лазеры на межзонных оптических переходах в отмеченном интервале частот практически не работоспособны. Это предопределило поиск новых подходов к решению данной проблемы. Первым серьезным достижением на этом пути стали лазеры на межподзонных переходах в дырочном германии (р-Се), работающие в сильных электрическом и магнитном полях и перекрывающие диапазон излучения 1-4,2 ТГц (см. обзор [А32]). Отличительной особенностью данных лазеров является аномально широкий спектр усиления, позволяющий реализовывать широко и непрерывно перестраиваемые по частоте источники излучения. Однако низкая эффективность />-ве лазеров, их высокие потребляемые мощности и импульсный режим генерации излучения ограничивают возможности широкого применения таких устройств. В последнее время достигнут существенный прогресс в расширении спектра излучения в длинноволновую часть для квантово-размерных

каскадных лазеров на арсенид-галлиевых гетероструктурах, перекрывших к настоящему времени диапазон 1-5 ТГц (см. обзор [2]). Необходимая для усиления света инверсная заселенность состояний двухмерных подзон в этих лазерах формируется при вертикальном транспорте электронов по так называемому квантовому каскаду, что предопределяет высокие коэффициенты усиления ТГц излучения на переходах между подзонами двумерных электронов в квантовых ямах. Эти лазеры демонстрируют высокую эффективность - до единиц процентов, высокие рабочие температуры - до 150 К, непрерывный режим генерации, относительно низкое потребление энергии. К сожалению, серьезным недостатком каскадных лазеров являются ограничения, накладываемые микроскопическими размерами активной среды (типичные толщины структур не превышают 10-15 мкм), что предопределяет высокие потери длинноволнового излучения в субволновых резонаторах, не позволяет сформировать узкую диаграмму направленности выходного излучения, необходимую для использования данных устройств во многих оптических схемах. Продвижение арсенид-галлиевых каскадных лазеров в длинноволновую область ТГц спектра ограничено ростом потерь излучения в резонаторе и поглощением излучения свободными электронами, а в высокочастотную часть ТГц спектра - полярным решеточным поглощением.

Значительный интервал частот от 5 ТГц до 10 ТГц, остается до настоящего времени недоступным для полупроводниковых источников стимулированного излучения.

В данной диссертационной работе исследуется альтернативный подход к разработке лазеров ТГц диапазона частот на базе элементарных полупроводников. Он использует оптические переходы между локализованными состояниями водородоподобных примесных центров в кремнии, германии, кремний-германиевых соединениях. Кремний и германий характеризуются низким уровнем оптических потерь в указанном спектральном диапазоне, высокой теплопроводностью, технологичностью и наиболее высоким для полупроводников уровнем контроля дефектов и вводимых примесей, включая водородоподобные центры. Такие центры давно являются объектами разностороннего изучения. Однако большинство работ было посвящено исследованию спектров локализованных состояний в равновесных условиях, спектроскопии примесного поглощения

(см., например, обзор [3]), влиянию примесных центров на электропроводность полупроводников и связанные с этим проблемы захвата свободных носителей заряда на кулоновские центры [4]. Возможность создания полупроводниковых лазеров ТГц диапазона частот на основе внутрицентровых переходов, характеризующихся высокими значениями сил осциллятора и длинными по сравнению с состояниями подзон временами жизни, представляет значительный интерес как с чисто фундаментальной точки зрения, так и с позиции их потенциального интегрирования в цепях современных оптоэлектронных устройств [5]. В последнее время изучение примесных центров в кремнии снова вызвало повышенный интерес в связи со значительными успехами в технологии получения кристаллов кремния с выскоким уровнем обогащения отдельными изотопами: 28Бь 29Я 3081 [б]. В таких кристаллах наблюдаются предельно узкие линии примесного поглощения, ширина которых определяется временем жизни возбужденных состояний центров. Другим стимулом исследований является принципиальная возможность разработки элементов памяти в квантовых компьютерах на основе моноизотопного кремния [7].

Все вышесказанное ставит новые задачи исследования физики неравновесных состояний доноров и акцепторов при их оптическом и полевом возбуждении и последующей релаксации при электрон-фононном взаимодействии. Таким образом, изучение эффектов стимулированного излучения примесными центрами в кремнии, германии и соединениях на их основе, которые определяются особенностями внутрицентровых процессов распада состояний, представляется актуальной задачей в связи с развитием новых устройств кремниевой оптоэлектроники.

Цель диссертационной работы

1. Экспериментальное исследование неравновесных населенностей состояний мелких доноров и акцепторов в полупроводниках кремнии и германии, а также соединениях на их основе в условиях электронного и оптического возбуждения.

2. Обнаружение эффектов и исследование характеристик стимулированного излучения на переходах между состояниями мелких примесных центров в кремнии и германии в условиях оптического и полевого возбуждения инверсной заселенности.

3. Идентификация рабочих переходов и анализ условий наблюдаемого в эксперименте терагерцового стимулированного излучения в кремнии, легированном водородоподобными донорными центрами.

4. Экспериментальное исследование эффектов вынужденного комбинационного рассеяния инфракрасного излучения на донорах У-й группы в кремнии.

5. Измерение малосигнального коэффициента терагерцового усиления / поглощения на межподзонных переходах валентной зоны германия в скрещенных электрическом и магнитном полях в зависимости от типа акцепторных центров.

6. Отработка методики низкотемпературной (< 20 К) внутрирезонаторной спектроскопии для измерения малых коэффициентов поглощения терагерцового излучения (3-4 ТГц) с использованием лазера на р-германии.

Научная новизна

1. Получена и экспериментально исследована генерация излучения терагерцового диапазона частот при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения донорами У-й группы периодической системы (фосфор Р, сурьма БЬ, мышьяк Аб, висмут ЕН) в монокристаллическом кремнии.

2. Получено и экспериментально исследовано стимулированное терагерцовое излучение на дипольно-разрешенных переходах между возбужденными состояниями доноров У-й группы при оптической накачке инверсной заселенности этих состояний. Установлены рабочие состояния и специфика лазеров, легированных различными центрами.

3. Экспериментально обнаружен эффект переключения частот (рабочих переходов) стимулированного излучения, связанного с инверсной заселенностью состояний водородоподобных доноров в кремнии, при изменении энергии кванта оптической накачки.

4. Экспериментально доказано наличие различных каналов внутрицентровой релаксации неравновесных носителей, захваченных на донорный кулоновский центр.

5. Установлено влияние внешних электрических (БкР) и магнитных полей (8г.Р, 8г.ЕП) и давления, приложенного к кристаллу (БкАз,

БкР), на механизмы и эффективность стимулированного терагерцового излучения в кремнии.

6. Показана зависимость малосигнального коэффициента усиления в лазере на межподзонных переходах валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации скрещенных электрического и магнитного полей от типа акцепторных центров. При оптимальных значениях концентрации легирующих центров коэффициент усиления ТГц излучения в германии, легированном бериллием, составляет 0,02 см*1 и превышает полученный в германии при его легировании галлием, почти в два раза.

Практическая значимость

1. Полученные результаты по эффектам стимулированного излучения доноров У-й группы в кремнии показывают новые возможности развития полупроводниковых лазеров терагерцового диапазона частот на основе примесных центров.

2. Полученные результаты по временам релаксации возбужденных состояний доноров важны для разработки новых устройств на основе мелких доноров в кремнии, в частности, квантовых компьютеров на базе моноизотопного электронного кремния.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комбинационное рассеяние инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (8Ь, Р, Аз, ЕН) при низких температурах решетки в кремнии приводит к стоксовому процессу стимулированного излучения терагерцового диапазона частот. Стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1.?(А1)-1д,(Е) перехода между основным и возбужденным состояниями 15 мультиплета.

2. Фотоионизация доноров У-й группы в кремнии при низких температурах решетки приводит к инверсной заселенности состояний и терагерцовому стимулированному излучению на внутрицентровых 2р0-> 1-$(Т2) переходах в Зг.БЬ, на 2р±-> Ь(Т2), 1х(Е) переходах в БкАэ и на 2р±-> Ь(Е), 1х(Т2:Г8), Ь(Т2:Г8) переходах в Б^Вь

3. Рабочие уровни терагерцовых внутрицентровых кремниевых лазеров (БкВ1, Б^БЬ, ЗкАв), как нижние Ь(Е), 1х(Т2), так и

верхние 2ро, 2р±, Зро, 4р0, переключаются при изменении энергии кванта накачки.

4. Инверсная заселенность состояний оптически возбуждаемых доноров при низких температурах решетки в кремнии контролируется внутридолинными и междолинными переходами электронов при излучении акустических (Si:P, Si:Sb, Si:As) и оптических (Si:Bi) фононов. Специфика внутрицентровой релаксации конкретного донора определяется химическим сдвигом энергии связи основного состояния центра.

5. Частота кремниевых Si:Bi лазеров, использующих внутрицентровые переходы 2/5+—> Ь(Т2), 2р+—> ls(E), непрерывно перестраивается магнитным полем в соответствии с линейным эффектом Зеемана. Для лазеров с рабочим переходом 2ро ->ls(T2) магнитное поле не меняет частоты стимулированного излучения по крайней мере до 2 Тесла.

6. Установлено, что механизм, связанный с поглощением на примесно-зонных переходах, приводит к существенному уменьшению результирующего коэффициента усиления ТГц излучения в лазерах на межподзонных переходах валентной зоны в дырочном германии.

Апробация результатов работы

Основные результаты данной диссертационной работы представлялись в 87 докладах на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

• XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Киев, 1990);

• II Всероссийский симпозиум по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991);

• I, III, V, VI, VII, VIII, IX Российские конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород IРКФП 1993; Москва IIIРКФП 1997; Нижний Новгород - Казань V РКФП 2001; Санкт-Петербург VI РКФП 2003; Звенигород VII РКФП 2005; Екатеринбург VIII РКФП 2007; Новосибирск - Томск IX РКФП 2009);

• Всероссийское Совещание "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Нижний Новгород, 1998);

• Всероссийское Совещание "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 2000);

• IX, XII, XIV Ежегодные Симпозиумы "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2005; 2008);

• 24th, 26th, 28th International Conferences on Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, ICPS 1998; Edinburgh, UK, ICPS2002; Vienna, Austria, ICPS 2006);

• 9th, 10th International Conferences on Shallow-level centers in semiconductors (Hyogo, Japan, SLCS 2000; Warsaw, Poland, SLCS 2002);

• 21st, 25th International Conferences on Defects in Semiconductors (Giessen, Germany, ICDS 2001; Санкт-Петербург ICDS 2009);

• 16th, 18th, 26th, 27th, 28th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Lausanne, Switzerland, IRMMW 1991; Colchester, GB, IRMMW 1993; Toulouse, France, IRMMW 2001; San Diego, USA, IRMMW 2002; Otsu, Japan, IRMMW 2003);

• the International Conference on Infrared and Millimeter Waves and Applications (San Diego, USA, 1994);

• II International Conference on Terahertz Spectroscopy and Applications (Munich, Germany, 1999);

• 7th International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Nara, Japan, HCIS 1991);

• the International Terahertz Workshop (Sandbjerg Estate, Denmark, ITW 2000);

• 13th International Conference on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (Modena, Italy, NCDS 2003);

• the NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser" (Trento, Italy, 2002);

• 6th, 7th International Symposiums "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург 1998; 1999);

• 10th, 11th IEEE International Conferences on Terahertz Electronics (Cambridge, UK, 2002; Sendai, Japan, 2003);

• 6th, 7th, 9th Symposiums of IEEE/LEOS, Benelux Chapter (Brussels, Belgium, 2001; Amsterdam, The Netherlands, 2002; Gent, Belgium, 2004);

• Annual FOM Condensed Matter Conference (Veldhoven, The Netherlands, 2001);

• 11th, 12th International Conferences on Phonon Scattering in Condensed Matter (Санкт-Петербург, 2004; Paris, France, 2007);

• Joint 29th, 31st, 32nd, 33rd, 34th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves and 12th, 14th, 15th, 16th, 17th International Conferences on Terahertz Electronics (Karlsruhe, Germany, IRMMW-THz 2004; Shanghai, China; IRMMW-THz 2006, Cardiff, Wales, IRMMW-THz 2007; Pasadena, California, USA, IRMMW-THz 2008; Busan, Korea, IRMMW-THz 2009);

• the International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources (Rathen, Germany, 2005);

• 35th Workshop of the International School of Solid State Physics: Physics and Technology of THz Photonics (Erice, Italy, 2005);

• the Rank-Prize Funds Mini-Symposium on Si-based Optoelectronics (Windermere, UK, 2006);

• the E-MRS IUMRS ICEM Spring Meetings: 2006, Symposium D "Silicon-based Photonics" (Nice, France, 2006), 2008, Symposium С "Frontiers in silicon-based photonics " (Strasbourg, France, 2008);

• III SPIE Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy (Orlando, USA, 2006);

• the Joint Conference on Laser and Opto-Electronics (CLEO 2006) and the Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS 2006) (Long Beach, USA);

• 12th International Conference on High Pressure Semiconductor Physics (Barcelona, Spain, 2006);

• XII International Conference "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology" (Erice, Italy, GADEST 2007);

• the Material Research Society (MRS) Fall Meetings (Boston, MA, USA 2007; 2009);

• 21st IEEE International Semiconductor Laser Conference (Sorrento, Italy, ISLC 2008);

• 5th IEEE International Conference on Group IV Photonics (Sorrento, Italy, GPF 2008);

• 2nd, 4th International Conferences on Advanced Optoelectronics and Lasers (Ялта, Украша, CAOL 2005; Алушта, Украша, CAOL 2008);

• the International Workshop "THz Radiation: Basic Research and Applications " (Алушта, Украша, TERA 2008);

• the Annual Meeting 2008 of the Scientific European Optical Society (Paris, France, EOSAM 2008);

• 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier, France, EDISON 2009);

• the NATO Advanced Research Workshop on Terahertz arid Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications (Turunf-Marmaris, Turkey, TERA-MIR 2009);

• а также в Институте исследований планет Немецкого аэрокосмического центра в Берлине (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin, Germany), и 1-ом Физическом Институте Штутгартского университета (1. Physikalisches Institut, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany).

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках проектов 93-02-14661-а, 96-02-00249-ННИО-а, 96-02-19275-а, 99-02-1795 8-а, 00-02-040 Ю-ННИО-а, 02-02-16790-а, 03-02-040 Ю-ННИО-а, 05-02-16734-а РФФИ, РФФИ-ННИО, Президентской программы поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-419.2008.2 «Фундаментальные научные проблемы развития кремниевой оптоэлектроники и освоения терагерцового диапазона с использованием полупроводниковых наноструктур».

Публикации по теме диссертации

Основные результаты диссертации опубликованы в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и в 84 трудах и тезисах конференций. Список основных трудов автора по теме диссертации приведен в конце автореферата, полный список трудов автора по теме диссертации приведен в диссертации.

Личный вклад автора

Все приведенные в диссертации результаты исследований получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Вклад соискателя в постановку задачи и проведение измерений является определяющим в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на основе вынужденного электронного комбинационного рассеяния света в монокристаллическом кремнии, легированном донорами V-й группы периодической системы элементов [А35, А37, А49, А52, А57] в моноизотопном кремнии [А53]; в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на переходах между

локализованными состояниями доноров в монокристаллическом кремнии, легированном висмутом [А 17, А19, А21], сурьмой [А20, А22], мышьяком [А28], и поликристаллическом кремнии [А45, А48], легированном фосфором; в работах по наблюдению ТГц излучения из кремния, легированного междоузельными центрами 1-й и Н-й группы периодической системы [А46], кремний-германиевых монокристаллических сплавов [A47]; при анализе значений энергий связи четных возбужденных состояний доноров в кремнии [А39], при исследовании температурного режима кремниевых лазеров [А56]; в работах, посвященных определению влияния внешних магнитного [А36] и электрического полей [А60] на функциональность кремниевых лазеров; в работах по исследованию влияния примесного поглощения на усиление ТГц излучения в р-Ge:Be и /?-Ge:Gа лазерах [А 16]. Соискателю принадлежит основная роль в проведении экспериментов и в интерпретации полученных результатов по идентификации долгоживущего возбужденного состояния донорных центров в Si:P [А 12]; определению порогов, спектров излучения и реализованных лазерных схем в условиях внутрицентрового возбуждения доноров в кремнии [А26]; влиянию одноосной деформации Si:As кристалла [А36] и магнитного поля (Si:Bi, Si:P) [А42] на фунциональность кремниевых лазеров; в определении каналов внутрицентровой релаксации в Si:As [А50]. Работы [А25, А38, А40, А59] выполнены соискателем без соавторов. В остальных работах вклад соавторов равноправен. Это касается обнаружения эффектов внутрицентрового стимулированного излучения в ¿?-Ge:Ga лазерах, включая исследование влияния одноосной деформации кристалла на внутрицентровое излучение р-Ge:Ga лазера [А1-А8]; использования техники внутрирезонаторной спектросокопии на основе ТГц /?-Ge:Ga лазера [А9, А10]; обсуждения возможных схем усиления/генерации ТГц излучения и экспериментальных исследований по поиску усиления ТГц излучения в объемном кремнии [Al 1, А14, А18, А23, А24, А27, А29-А34, А41, А43, А55, А58] и низкоразмерных полупроводниках при оптическом [А15, А47] и полевом возбуждении [А54] примесных центров; исследовании усиления ТГц излучения в р-Ge:Ga лазерах [А 13]; экспериментальном измерении времен жизни возбужденных состояний примесных центров [А44, А51].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем 217 страниц, включая 158 рисунков и 13 таблиц. Список литературы автора содержит 134 наименования, цитируемой литературы - 193 наименования.

Содержание работы

Актуальность работы, ее практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, вклад автора в представленный цикл работ и апробация результатов приведены во Введении.

Первая глава содержит обзор литературы по тематике работы с акцентом на спектры локализованных состояний мелких доноров и спектры фононов в кремнии, германии и кремний-германиевых сплавах - основы для построения активных материалов на базе легированных элементарных полупроводников. Приводятся теоретические представления о доминирующих механизмах внутрицентровой релаксации при низких температурах решетки, кратко обсуждаются вопросы формирования неравновесных распределений носителей заряда в полупроводниках. Из анализа широкого спектра экспериментальных результатов, дающих оценки времен внутрицентровой релаксации в кремнии и германии, и их сравнения с теоретически рассчитанными делается вывод о важности экспериментальной верификации различных методов описания внутрицентровой релаксации в полупроводниках.

Вторая глава посвящена исследованиям терагерцовых кремниевых лазеров на переходах между возбужденными состояниями мелких доноров в кремнии при их оптической накачке излучением лазеров среднего ИК диапазона - С02 лазеров (Рис. 1-3) и частотно-перестраиваемым инфракрасным лазером на свободных электронах, ИК ЛСЭ, FELIX (Рис. 3), при низких температурах решетки (< 5°К).

Разделы 2.1, 2.2 посвящены вопросам изготовления кремниевых кристалов и образцов, и технике эксперимента. Для исследований германиевых лазеров был использован промышленный германий, в то время как исследование кремниевых лазеров и кремний-германиевых источников излучения потребовало значительной

технологической поддержки, в том числе разработку новых методов роста и легирования полупроводников.

Длина волны (мкм) 200 100 70 50 40

6

3 4 5 Частота (ТГц)

Аэ

|>(л,)

«Мл

ВI

/■го

->«(М'1>

Рис. 1. Спектры ТГц кремниевых лазеров при накачке излучением С02 лазера (10,6 мкм), при 4,2 К.

Рис. 2. Реализованные схемы ТГц внутрицентровой генерации в кремнии при накачке С02 лазером (10,6 мкм), при 4,2 К.

Частота накачивающего излучения (ТГц) 0 5 10 15 20 25 30 35

О 5 10 15 20 25 30 35 Частота кремниевых лазеров (ТГц)

Рис. 3. Вверху: оптические пороги реализованных внутрицентровых кремниевых лазеров при накачке излучением ИК ЛСЭ и С02 лазера. Внизу: мощности импульсов выходного излучения кремниевых лазеров. Вставка: типичная геометрия возбуждения кремниевых лазеров.

В разделе 2.3 обсуждаются механизмы поглощения и внутрицентрового усиления ТГц излучения в кремнии, кратко формулируются теоретические предсказания усиления ТГц излучения с указанием ожидаемых схем генерации и условий наблюдения стимулированного излучения.

В следующих разделах (2.4-2.6) внимание концентрируются на достигнутых схемах генерации ТГц излучения: приводятся оптические пороги генерации для схем лазеров при резонансной накачке в различные возбужденные состояния донорных центров, приводятся спектры излучения лазеров, динамика лазерного излучения, а также температурные (Рис. 4) и концентрационные (Рис. 5) границы эффекта ТГц стимулированного излучения.

. 500 400

о 100

о 1=

11 / Л1

/' г

-ар

-йБЬ

-а» -алз

15 20 25 Температуря (К)

Рис. 4. Зависимости интесивности излучения кремниевых лазеров от равновесной температуры решетки, для различных доноров; фотоионизация, длина волны излучения накачки 10,6 мкм.

0123456789 10 Концентрация (10'5 см1)

Рис. 5. Зависимости порога внутрицентрвой ТГц генерации из электронного кремния для различных доноров; фотоионизация, длина волны излучения накачки 10,6 мкм, при 4,2 К.

Экспериментально обнаруженные лазерные схемы и их характеристики качественно отличаются от теоретически предсказанных, что подтверждает важность таких исследований для верификации моделей внутрицентровой релаксации электронов в кремнии. Обнаружены новые схемы генерации в БкАэ и 8кВ1, свидетельствующие о доминирующем влиянии примесно-фононных резонансов и междолинных фононов во внутрицентровой релаксации и формировании инвертированных распределений в оптически накачиваемых кремниевых средах.

Исследуется влияние упругого и неупругого рассеяния фононов на стимулированное излучение в различных кремниевых матрицах, легированных фосфором (часть 2.5). Различные характеристики лазеров (оптические пороги, температурные режимы, спектры и динамика стимулированного излучения) сравниваются для случаев изотопно-обогащенной монокристаллической (с-28БкР) матрицы, природного многоизотопного монокристаллического (с-8кР) и поликристаллического (тс-БкР) кремния. Установлено различие в температурных режимах и порогах генерации таких лазеров.

В разделе 2.6 приводятся результаты наблюдении усиления ТГц излучения для образцов кремния, легированного междоузельными мелкими донорными центрами 1-ой и Н-ой группы. Показано, что наблюдаемое усиление ТГц излучения в накачиваемом

излучением С02 лазера, значительно превосходит аналогичные значения, полученные для водородоподобных доноров в кремнии.

В разделе 2.7 исследуется влияние стационарных внешних магнитного и электрического полей на функциональность кремниевых лазеров. Установлен диапазон перестройки частоты кремниевого БьТИ лазера с магнитным полем в результате линейного эффекта Зеемана для возбужденных примесных уровней. Показано, что статическое электрическое поле подавляет внутрицентровую инверсию в оптически накачиваемых БнР лазерах. Исследовано влияние одноосной деформации кристалла кремния на схемы и эффективность ЗиЛе и БкР лазеров.

Раздел 2.8 посвящен исследованию потерь ТГц излучения в оптически накачиваевых кремниевых активных средах. Потери измерены на частотах 2,5 ТГц и 3,1 ТГц непрерывных каскадных лазеров. Из анализа данных выносится заключение о существенном влиянии на потери ТГц излучения в кремниевых лазерах т.н. О" центров (нейтральный центр Э0 со слабо связанным дополнительным внешним электроном), концентрации которых остаются существенными вплоть до значений плотностей потоков фотонов накачки, соответствующих лазерной генерации.

Раздел 2.9 рассматривает эффекты стимулированного ТГц излучения в кремнии при внутрицентровом возбуждении доноров. Показано, что резонансное внутрицентровое возбуждение доноров в кремнии является эффективным способом накачки (наиболее низкий оптический порог, ~ 1022 фотонов см"2 с"1, см. Рис. 3), и обеспечивает разнообразные схемы лазеров (Рис. 6). Существенное уменьшение

значений оптических порогов обеспечивается несколькими факторами: во-первых, уменьшением концентраций О центров и связанных с ними потерь ТГц излучения, а также отсутствием канала захвата электронов на центры; во-вторых, увеличением

эффективности накачки вследствие больших сечений поглощения. Анализ различных схем лазеров для ЭкР и БкЗЬ, накачиваемых резонансно в различные возбужденные состояния (Рис. 6), позволяет сделать вывод о доминирующем влиянии междолинного акустического фонона g-TA в релаксацию возбужденного 1х(Е) состояния в БкБЬ. Данный эффект объясняется резонансом пары состояний донора сурьмы, Ь(Е) и 15(А|), с междолинным g-TA фононом. В результате 1з(Е) состояние выступает в качестве нижнего рабочего лазерного уровня в БкЗЬ, в то время как нижний лазерный уровень в 8кР - почти всегда состояние 15(Тг).

Рис. 6. Обзор различных схем генерации ТГц излучения (толстые вертикальные стрелки вниз), полученных для различных доноров при их резонансном внутрицентровом возбуждении излучением ИК ЛСЭ (вертикальные стрелки вверх). Тонкие стрелки показывают резонасные взаимодействия возбужденных и основного состояния центров с участием междолинных фононов.

Переключение лазерных схем с изменением верхнего лазерного уровня обнаружено для сред БкВ! и Бг.Аз, где отдельные возбужденные состояния примесного центра связаны резонасно с основным состоянием через взаимодействие с междолинными оптическими (/"-ТО, g-TO; случай БпВ!) и междолинными акустическими (^ЬА; случай Аб) фононами.

Третья глава посвящена исследованиям стимулированного ТГц излучения на основе эффектов нелинейного преобразования частоты инфракрасного излучения в электронном кремнии.

Эффект вынужденного комбинационного рассеяния света на электронных резонансах мелких доноров в кремнии при накачке кремния фотонами энергий, соответствующих возбуждению в область энергий связи между значениями для возбужденных 3р0 и 2р0 состояний соответствующего центра, приводит к стимулированному ТГц излучению (Рис. 7, 8).

Частота излучения (ТГц) 4.84 5.32 5.80

18 20 22 24 Энергия фотонов излучения (мэВ)

Рис. 7. Спектры стимулированного ТГц излучения из БкВ! при внутрицентровом возбуждении. Точками показано смещение частоты стоксового излучения.

Длина волны накачки (мкм) 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18

59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 Энергия фотона накачки (мэВ)

Рис. 8. Достигнутый диапазон генерации ТГц излучения в БкЕН при накачке излучением ИК ЛСЭ, при 4,2 К.

Энергия фотонов стимулированного стоксового излучения /г равна разнице энергий накачивающих фотонов к V/. и энергии внутрицентрового электронного перехода Ь(Е) <-> 15(А0 (Рис. 8):

И = ¡1 V,, - (Е15(А1) - Евд).

Стоксово излучение, как правило, имеет характерную задержку во времени, связанную с малым значением усиления по сравнению с излучением на локализованных состояниях донора. Это позволяет использовать временное разрешение при записи импульсов, а также спектров излучения и спектров накачки для разделения различных типов излучения. Одним из результатов временного разрешения явилось обнаружение конкуренции стоксового лазерного излучения и излучения на переходах между возбужденными состояниями примесного центра при резонансной накачке в возбужденные состояния донора. Это вызывает также сдвиг частоты «донорного» излучения относительно его невозмущенного значения.

Стимулированное стоксово излучение при вынужденном комбинационном рассеянии излучения на донорном электронном переходе 1л(Е)-Ь(А1) обнаружено для всех водородоподобных донорных центров в кремнии (Рис. 9). Приводятся данные об оптических порогах генерации, спектральном анализе, временной динамике лазерного излучения. На примере Б^Ь показано, что оптимальная концентрация электрически активных центров для стимулированного стоксового излучения соответствует ее значению для кремниевых лазеров при фотоионизации (Рис. 4).

В кремниевых кристаллах, совместно легированных несколькими водородоподобными центрами, например двумя донорными центрами, фосфором и сурьмой (8к8Ь:Р), наблюдается стимулированное стоксово излучение для обоих типов доноров.

Особое внимание уделено эффекту стимулированного излучения на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния света на электронном резонансе для изотопно-обогащенного (до уровня 99,99459 % 28Я0 монокристаллического кремния, легированного фосфором (с-288кР). Отмечается существенное усиление эффективности и расширение спектрального диапазона стоксового излучения в моноизотопном с-288кР по сравнению с природным монокристаллическим кремнием (с-БкР) (Рис. 10).

континуум зоны проводимости

Длина волны накачки (мкм) 40 35 30 25 20

Ь(Л0

Рис. 9. Схемы стоксовых лазеров на основе электронного ВКРС в кремнии, легированном различными примесными центрами; при накачке излучением ИК ЛСЭ.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Частота накачивающего излучения (ТГц)

Рис. 10. Спектральные диапазоны генерации ТГц излучения на основе электронного ВКРС в кремнии, легированном различными примесными центрами; при накачке ИК ЛСЭ.

В разделе 3.3 приводятся экспериментальные данные об обнаружении низкочастотного ТГц излучения из образцов БкР при их накачке излучением ИК ЛСЭ, соответствующего формализму четырехволнового смешения частоты. Частота такого излучения отстроена от частоты накачки на суммарное значение энергии электронного примесного перехода Ь(Е)-Ь'(А1) и энергии междолинного поперечного акутического фонона в кремнии, g-TA или /-ТА. Данное излучение имеет самый высокий порог генерации из всех наблюдаемых лазерных схем и наблюдалось только для БкР.

Лазеры на примесных переходах в дырочном германии, работающие в скрещенном электрическом и магнитном полях при низких равновесных температурах решетки (< 20°К), рассматриваются в четвертой главе диссертации. Основное внимание уделяется сравнительному анализу эффективности р-ве:Оа лазера, обладающего характерными линиями примесного излучения акцепторного центра (линии Б и Е на Рис. 11), и />Ое:Ве

лазера, для которого такие переходы при аналогичных условиях накачки не наблюдаются (Рис. 12).

Рис. 12. Схема формирования Рис. 13. Схема формирования на-

населенностей на межподзонных селенностей на межподзонных со-

состояниях и возбужденных стояниях в Ое:Ве. Внутрицентровые

состояниях в Се:Оа. С, Е - линии переходы не инвертированы, примесных переходов.

Механизмы поглощения и усиления ТГц излучения рассмотрены в разделе 4.1. Примесное поглощение может играть существенную роль при остаточной заселенности состояний акцептора. Раздел 4.2 посвящен генерации ТГц излучения на примесных переходах акцепторов Ш-й группы. Межподзонные переходы (V на Рис. 12, 13) являются характерной чертой всех ТГц р-Се лазеров. Инверсия на примесных состояниях является следствием фотоионизации основного состояния водородоподобного акцептора излучением, развивающимся на межподзонных переходах, которое приводит к оголению основного состояния в Оегва (Рис. 11), но не влияет на населенность основного состояния в Ое:Ве (Рис. 12) с большей энергией фотоионизации. Участие носителей заряда, захваченных на состояния примесных центров, в поглощении ТГц излучения в р-Се:Са лазерах доказывается существованием примесных линий

генерации в спектрах излучения лазера, а также фотоионизационной составляющей тока.

Результаты измерений усиления ТГц излучения на межподзонных переходах (раздел 4.3, Табл. 1) показывают ограничения усиления, накладываемых примесным поглощением в р-Се:Са лазерах. Дополнительное примесное поглощение, вызванное фотоионизацией акцепторных состояний - цена существования излучательных примесных переходов в р-ве^а лазерах.

Таблица 1. Усиление ТГц излучения на межподзонных переходах для ТГц р-ве лазеров, легированных элементами Ш-й и П-й групп. Магнитное поле вдоль [110] (длинной) оси германиевого кристалла.

Активный элемент длина усилителя, мм Иа-КВ, см"3 дырки, р, % от ТГц усиление, см"1 сечение ТГц усиления, см2

ве^а ГДГ40Д5 50,2 7,0-10п 90-95 0,012-0,015 (1,9±0,2) -Ю"16

Се:Ве #854 19,4 1,5-1014 40-50 0,021-0,027 (3,6±0,5) -10"16

В разделе 4.4 приведены результаты исследования влияния одноосной деформации кристалла германия на перестройку частоты излучения р-Оегва лазеров на примесных переходах. Показано изменение частоты О-перехода в диапазоне давлений до 1350 кг/см2.

Пятая глава посвящена особенностям внутрицентровой релаксации носителей заряда в кремнии и германии, установленных экспериментальными методами.

В разделе 5.1 рассмотрены проблемы экспериментального измерения времен релаксации внутрицентрового оптического возбуждения в электронном кремнии. К настоящему времени удалось лишь ограничить диапазон возможных времен релаксации интервалом 50-200 пкс.

Раздел 5.2 посвящен анализу результатов спектральных исследований кремниевых лазеров ТГц излучения при их внутрицентровом оптическом возбуждении (БкАб, БкР). Спектры накачки и излучения, наблюдаемые пороги генерации, и оценки сечений поглощений примесных переходов и времен жизни нескольких возбужденных состояний дают возможность

восстановить картину внутрицентровой релаксации в системе нижних возбужденных состояний примесного центра на примере Бг.Аз лазера (Рис. 13). Это позволяет произвести оценки скоростей различных каналов релаксации. Показано, что резонанс с междолинным акустическим фононом_/-ЬА усиливает релаксацию на переходе 2л(Е) ->• 1.5(А() в БкАэ. Переходы между состояниями одинаковой четности превалируют, даже при сравнении с переходами в соседние близколежащие состояния центра. Это доказывает наличие нескольких различных лестниц/каналов внутрицентровой релаксации в электронном кремнии. Данный вывод показывает необходимость учета различных паралллельных независимых каналов релаксации вместо классической каскадной модели захвата на примесный центр. В конечном счете, множественность каналов релаксации определяет достигаемую эффективность кремниевых лазеров при фотоионизации доноров.

Рис. 14. Селективные каналы безызлучательной внутрицентровой релаксации в ЗнАб. Ширина стрелок пропорциональна рассчитанной скорости релаксационного процесса. Можно видеть, что отдельные шаги релаксации превышают предсказанные в каскадной модели.

В разделах 5.3-5.5 анализируются распределения носителей по локализованным возбужденным состояниям центра при оптической (для кремния) и электронной (для кремния и германия) накачке. Данный анализ приводится с сопоставлением экспериментально

23

наблюдаемым схемам лазерной генерации в электронном кремнии и дырочном германии. Обсуждается, в частности, влияние электрического поля на делокализацию верхних возбужденных состояний примесных центров, а также связанное с этим подавление оптически возбуждаемой инверсии в кремниевых лазерах. Для р-ве лазеров совместное действие электронного и оптического возбуждения приводит при определенных условиях к инверсной населенности на уровнях акцеторов, достаточной для поддержания эффектов стимулированного внутрицентрового излучения.

Шестая глава обсуждает обнаруженное ТГц излучение и его усиление в легированных мелкими донорами кремний-германиевых соединениях: Б^-дСте* монокристаллах (раздел 6.1) и неоднородных БУЗЬ^Ое, структурах (раздел 6.2), при их оптическом возбуждении. Специальное внимание (раздел 6.3) уделено технике низкотемпературной внутрирезонаторной спектроскопии низкоразмерных полупроводниковых структур на основе ТГц р-ве лазера с составной конструкцией резонатора. Показано, что сравнительно слабые, вплоть до 10"3, модуляции ТГц поглощения в полупроводниковых структурах с небольшим числом квантовых слоев могут быть зафиксированы данной техникой.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, выражаются благодарности соавторам, приводится список литературы автора и цитируемой литературы. В качестве главных научных результатов работы выносятся:

Основные научные результаты

1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения терагерцового диапазона (4,5-6,4 ТГц) при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Аб, ВО в кремнии. Показано, что стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 15(А])-15(Е) перехода между основным Ь(А|) и возбужденным состояниями Ь мультиплета. Этот параметр, также как и энергия основного состояния 1я(А1), зависит от элемента легирования.

2. Получен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения оптически возбуждаемых доноров У-й группы в кремнии при охлаждении кристалла до температур Т< 15-30 К. Наблюдаемое излучение лежит в терагерцовом диапазоне частот и развивается при фотоионизирующей накачке доноров на внутрицентровых 2р0—> 15(Т2) переходах в Б^БЬ, на 2р±—> Ь'(Т2), 1.у(Е) переходах в 8кАэ и на 2р±-> Ь(Е), Ь(Т2:Г8), Ь(Т2:Г8) переходах в 8кВ1 благодаря инверсной заселенности указанных электронных состояний. Определены оптимальный уровень легирования, пороговые значения интенсивности накачивающего излучения и температурный режим данных лазеров.

3. Исследовано ТГц стимулированное излучение донорных центров У-й группы (Р, вЬ, Аэ, ВО в кремнии при внутрицентровом оптическом возбуждении их состояний. Обнаружено, что при таком способе создания инверсной заселенности рабочая схема и соответствующая частота стимулированного излучения зависит от накачиваемого донорного возбужденного состояния, т. е. от энергии кванта оптической накачки, и отличается для разных центров.

4. Экспериментально установлено, что для доноров в кремнии при низкотемпературной релаксации на акустических фононах (внутридолинные переходы) состояния 3/>± и Зра с большей вероятностью релаксируют соответственно в 2р± и 2ра состояния, минуя промежуточные. В случае прямого возбуждения континуума зоны проводимости или более близких к нему связанных состояний доминирующий маршрут релаксации проходит через состояние 2р±. Такой вывод получен на основе данных о переключении рабочих переходов стимулированного излучения доноров мышьяка при изменении энергии кванта внутрицентровой оптической накачки.

5. Экспериментально показано, что внешнее магнитное поле перестраивает частоту стимулированного излучения в 81:В1, рабочие переходы 2/>+-> 1.$(Т2), 1х(Е). Дана количественная оценка такой перестройки. Магнитное поле вплоть до 2 Т не меняет частоты стимулированного излучения в 8пР, рабочий переход 2рй—> 1-?(Т2).

6. Экспериментально показано, что внешнее электрическое поле при значениях ниже примесного пробоя в Si:P уменьшает инверсию населенностей между рабочими уровнями лазера, т.е. на переходе 2/?0—> 1-у(Тг), а в полях выше пробоя донорных центров полностью подавляет стимулированное излучение.

7. Экспериментально определена энергия связи четных возбужденных состояний ls(E), ^(Тг.Тв), IsOVr?), 2s(E) доноров V-й группы в кремнии. Это сделано на основе анализа спектральных характеристик стимулированного излучения при резонансном внутрицентровом возбуждении этих центров с точностью определения энергии до 0,01 мэВ и уточняет существующие данные спектроскопии донорных центров.

8. Установлено, что поглощение на примесно-зонных переходах значительно уменьшает коэффициент усиления в лазерах на межподзонных переходах дырок валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации приложенных скрещенных электрического и магнитного полей. Измерения показали, что максимум коэффициента усиления для германия, легированного галлием, близок к 0,012 см"1, но может быть увеличен в германии с бериллием до 0,02 см"1. Различие связано с примесно-зонным поглощением межподзонного (10-13 мэВ) излучения в Ge:Ga, имеющего энергию связи основного состояния 11,32мэВ в отличие от Ge:Be (энергия связи 24,22 мэВ), где данный механизм потерь ТГц излучения отсутствует.

Цитируемая литература:

1. Sensing with terahertz radiation. Ed. by Mittleman D.// Springer Sériés in Optical Sciences. Berlin. Springer. 2003. - Vol. 85. - 337 P.

2. Williams, B. S. Terahertz quantum-cascade lasers / Nature Photonics. -2007.-Vol. 1.-P. 517-523.

3. Ramdas, A. K. Spectroscopy of the solid-state analogues of the hydrogen atom: donors and acceptors in semiconductors / A. K. Ramdas and S. Rodriguez // Rep. Prog. Phys. - 1981. - Vol. 44. - P. 1297-1387.

4. Абакумов, В. H. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках / В. Н. Абакумов, В. И. Перель, И. Н. Яссиевич // Изд. «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН», СПб. 1997. - 376 С.

5. Borak, A. Towards bridging the terahertz gap with silicon-based lasers / Science: Perspectives. - 2005. - Vol. 308, No. 5722. - P. 638639.

6. Девятых, Г. Г. Получение высокочистого моноизотопного кремния-28 / Г. Г. Девятых, А. Д. Буланов, А. В. Гусев, П. Г. Сенников, А. М. Прохоров, Е. М. Дианов, Х.-Й. Поль // Доклады РАН. Химия. - 2001. - Том 376, № 4-6. - С. 492-493.

7. Капе, В. Е. A silicon-based nuclear spin quantum computer / Nature. - 1994.-Vol 393.-P. 133-137.

Список работ, в которых опубликованы основные результаты:

А1. Муравьев, А. В. Стимулированное излучение на переходах между возбужденными и основным состояниями акцепторной примеси в германии / А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, В. Н. Шастин И Письма в ЖЭФТ. - 1990. - Т. 52, вып. 6. - С. 959-964. А2. Демиховский, С. В. Перестройка спектра излучения лазера на р-Ge при одноосной деформации / С. В. Демиховский, А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, В. Н. Шастин // ФТП. - 1990. - Т. 24, вып. 12.-С. 2151-2154. A3. Demihovsky, S. V. Stimulated émission using shallow acceptor states transitions in germanium / S. V. Demihovsky, A. V. Murav'ev, S. G. Pavlov, and V. N. Shastin // Semicond. Sci. Technol. - 1992. - Vol. 7, Issue 3B. - P. B622-B625. A4. Муравьев, A. В. Перестраиваемый узкополосный лазер на межподзонных переходах горячих дырок германия / А. В. Муравьев, И. М. Нефедов, С. Г. Павлов, В. Н. Шастин // Квант, электроника. - 1993. - Том 20, вып. 2. - С. 142-148. А5. Муравьев, А. В. Эффекты мелких акцепторов в лазере на горячих дырках германия / А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, Е. Е. Орлова, В. Н. Шастин // Письма в ЖЭФТ. - 1994. - Том 59, вып. 2. - С. 86-90.

А6. Муравьев, А. В. Конденсация спектра вблизи линии примесного поглощения в лазере на горячих дырках германия / А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, Е. Е. Орлова, В. Н. Шастин, Б. А. Андреев // Письма в ЖЭФТ. - 1995. - Том 61, вып. 3. - С. 182185.

А7. Shastin, V. N. Influence of shallow acceptor states on the operation of the FIR hot hole p-Ge laser / V. N. Shastin, E. E. Orlova, A. V. Murav'ev, S. G. Pavlov, and R. Kh. Zhukavin // Int. J. Infrared Milli. Waves. - 1996. - Vol. 17, No. 2. - P. 359-361. A8. Shastin, V. N. Far-infrared hole absorption in InxGai_xAs/GaAs MQW heterostructures with 5-doped barriers / V. N. Shastin, S. G. Pavlov, A. V. Muravjov, E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin, and B. N. Zvonkov // phys. stat. sol. (b). - 1997. - Vol. 204, Issue 1. - P. 174177.

A9. Жукавин, P. X. Использование квантоворазмерных Ge/Gei.xSix гетероструктур для синхронизации мод в лазере дальнего инфракрасного излучения на p-Ge / P. X. Жукавин, А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, А. X. Ситдиков, В.. Шастин, О. А. Кузнецов // Изв. АН, сер. физ. - 1999. - Том 63, вып. 2. - С. 364368.

А10.Шастин, В. Н. Внутрирезонаторная спектроскопия Ge/Gei_xSix гетероструктур в лазере дальнем ИК диапазоне длин волн / В. Н. Шастин, Н. А. Бекин, P. X. Жукавин, С. Г. Павлов, О. А. Кузнецов // Изв. АН, серия физ. - 1999. - Том 63, вып. 2. - С. 374-378.

All. Orlova, E. Е. Far infrared active media based on the shallow impurity states transitions in silicon / E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin, S. G. Pavlov and V. N. Shastin // physica status solidi (b). - 1998. -Vol.210, Issue2.-P. 859-863. A12.Hiibers, H.-W. Population inversion and far-infrared emission from optically pumped silicon / H.-W. Hiibers, K. Auen, S. G. Pavlov, E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin, and V. N. Shastin //Appl. Phys. Lett. - 1999,-Vol. 74, Issue 18.-P. 2655-2657. A13.Muravjov, A. V. Broad band p-Ge optical amplifier of terahertz radiation / A. V. Muravjov, S. H. Withers, S. G. Pavlov, V.N. Shastin, and R. E. Peale // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 86, Issue 7. -P. 3512-3515.

A14.Pavlov, S. G. Stimulated emission from donor transitions in silicon / S. G. Pavlov, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, V. N. Shastin, A. V. Kirsanov, H.-W. Hiibers, K. Auen, and H. Riemann // Phys. Rev. Lett. - 2000. - Vol. 84, Issue 22. - P. 5220-5223. A15.Шастин, В. H. Инверсия населенностей и усиление ТГц излучения при оптическом возбуждении кулоновских центров в гетероструктурах с квантовыми ямами / В. Н. Шастин, P. X.

Жукавин, Е. Е. Орлова, С. Г. Павлов // Изв. АН, сер. физ. - 2001. - Том 65, Вып. 2. - С. 246-248. А16. Auen, К. Influence of group II and III shallow acceptors on the gain of p-Ge lasers / K. Auen, H.-W. Hiibers, A. V. Muravjov, E. E. Orlova, S. G. Pavlov, V. N. Shastin and R. Kh. Zhukavin // Physica B.-2001.-Vols. 302-303.-P. 334-341. A17. Hiibers, H.-W. Terahertz emission from silicon doped by shallow impurities / H.-W. Hiibers, S. G. Pavlov, M. H. Rummeli, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, H. Riemann and V. N. Shastin // Physica B. -2001. - Vols. 308-310. - P. 232-235. A18. Orlova, E. E. FIR lasing based on group V donor transitions in silicon / E. E. Orlova, S. G. Pavlov, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, A. V. Kirsanov, H.-W. Hiibers, K. Auen, M. Rummeli, H. P. Roser and H. Riemann // Physica B. - 2001. - Vols. 302-303. - P. 342348.

A19. Pavlov, S. G. Physics of optically pumped semiconductor bulk lasers for the 5-15 THz frequency range / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, M. H. RUmmeli, V. N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, and H. Nakata // 2001 Symposium of IEEE/LEOS Benelux Chapter: Symp. Proc., Ed. by H. Trienpont et al. Brussels, Belgium, 3 Dec. 2001. - Brussels: Vrije Universiteit Brussel Press. 2001. - P. 49-52. A20. Hiibers, H.-W. Terahertz emission spectra of optically pumped silicon lasers / H.-W. Hiibers, S. G. Pavlov, M. Greiner-Bar, M. F. Kimmitt, M. H. Rummeli, R. Kh. Zhukavin, H. Riemann, and V. N. Shastin // physica status solidi (b). - 2002. - Vol. 233, Issue 2. - P. 191-196.

A21.Pavlov, S. G. Far-infrared stimulated emission from optically excited bismuth donors in silicon / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, M. H. Rummeli, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, V. N. Shastin, and H. Riemann // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 80, Issue 25. - P. 47174719.

A22. Pavlov, S. G. Terahertz optically pumped Si:Sb laser / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, and V.N. Shastin // J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 92, Issue 10. - P. 5632-5634.

A23.Shastin, V.N. Stimulated THz emission from group-V donors in silicon under intracenter photoexcitation / V. N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, S. G. Pavlov, M. H. Rummeli, H.-W.

Hiibers, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, H. Riemann, I. V. Bradley, and A. F. G. van der Meer // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 80, Issue 19.-P. 3512-3514. A24.Pavlov, S. G. Optically pumped terahertz semiconductor bulk lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin, H. Riemann, H. Nakata, and V. N. Shastin // physica status solidi (b). -

2003.-Vol. 235, Issue l.-P. 126-134.

A25.Pavlov, S. G. Electrically pumped far-infrared population inversion in heterostructures doped by shallow impurity centers // phys. stat. sol. (c). - 2003. - Vol. 0, Issue 2. - P. 726-729. A26.Pavlov, S. G. Terahertz silicon lasers: Intracenter optical pumping / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, M. H. Riimmeli, J.N. Hovenier, Т. O. Klaassen, R. Kh. Zhukavin, A. V. Muravjov, and V. N. Shastin // "Towards the First Silicon Laser", Eds. L. Pavesi et al., NATO Science Series II: Mathematics, Physic and Chemistry. Kluwer Academic Publishers. - 2003. - Vol. 93. - P. 331-340. A27. Zhukavin, R. Kh. Laser transitions under resonant optical pumping of donor centres in Si:P / R. Kh. Zhukavin, D. M. Gaponova, A. V. Muravjov, E. E. Orlova, V. N. Shastin, S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, H. Riemann, A. F. G. van der Meer // Appl. Phys. B. - 2003. - Vol. 76, No. 5. - P. 613-616. A28.Hiibers, H.-W. Stimulated terahertz emission from arsenic donors in silicon / H.-W. Hiibers, S. G. Pavlov, R. Kh. Zhukavin, H. Riemann, N. V. Abrosimov, and V. N. Shastin // Appl. Phys. Lett. - 2004. -Vol. 84, Issue 18. - P. 3600-3602. A29.Nakata, H. Excitation spectroscopy of Si:P THz laser and infrared photoconductivity in Ge:Te / H. Nakata, A. Yokoyama, T. Hatou, T. Ohyama, N. Tsubouchi, S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers // Joint 29th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 12th Int. Conf. on Terahertz Electronics: Conf. Digest, 27 Sept. - 1 Oct. 2004. Karlsruhe, Germany. Eds. M. Thumm, W. Wiesbeck. IEEE Cat. No. 04EX857, 2004. - P. 507-508. A30.Pavlov, S. G. Nonequilibrium electron distribution in terahertz intracentre silicon lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin and V. N. Shastin // Semicond. Sci. Technol. -

2004. - Vol. 19, No. 4. - S465-S468.

А31.Шастин, В. H. Стимулированное излучение, вынужденное комбинационное рассеяние и инверсия населенности на внутрицентровых переходах доноров в кремнии / В. Н. Шастин^

С. Г. Павлов, P. X. Жукавин, H.-W. Hubers, Н. Riemann, Т. О. Klaassen, J.N. Hovenier, P. J. Phillips // "Полупроводники-2005": Тезисы докладов VII Российской конференции по физике полупроводников, Москва, 18-23 сент. 2005. - Москва: ФИ РАН им. П. Н. Лебедева. 2005. - С. 97. А32.Hubers, H.-W. Terahertz lasers based on germanium and silicon / H.-W. Hubers, S. G. Pavlov and V. N. Shastin // Semicond. Sci. Technol. - 2005. - Vol. 20, Special Issue 7: Photonic Terahertz Technology.-P. S211-S221. A33.Hiibers H.-W. Spectroscopy of excited states in p-type germanium with coherent terahertz synchrotron radiation / H.-W. Hubers, S. G. Pavlov, K. Holldack, P. Kuske, U. Schade, G. Wustefeld // Int. Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources: Abstracts Book, Rathen, Germany. 2630 June 2005.-P. 135. A34.Zhukavin R. Kh. D' centers in intracenter Si:P lasers / R. Kh. Zhukavin, S. G. Pavlov, K. A. Kovalevsky, H.-W. Hubers, H. Riemann, and V. N. Shastin // J. Appl. Phys. - 2005. - Vol. 97. Issue 11.-P. 113708.

A35.Pavlov, S. G. Stimulated terahertz Stokes emission of silicon crystals doped with antimony donors / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, and V. N. Shastin // Phys. Rev. Lett. -2006. - Vol. 96, Issue 3. - P. 037404. A36. Pavlov, S. G. Frequency tunability of the terahertz silicon laser by a magnetic field / S. G. Pavlov, H.-W. HObers, M. F. Kimmitt, H. Riemann, and V. N. Shastin // Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 89, Issue 2.-P. 021108. A37. Pavlov, S. G. Silicon donor and Stokes terahertz lasers / S.G. Pavlov, H.-W. Hubers, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, H. Riemann, N. V. Abrosimov, N. Notzel, R. Kh. Zhukavin and V. N. Shastin // J. of Luminescence. - 2006. - Vol. 121, Issue 2. - P. 304-310. A38.Pavlov, S. G. Impurity-based infrared emitters in silicon // «Si-based Optoelectronics»: Abstracts of the Rank-Prize Funds MiniSymposium, Storrs Hall Hotel, Windermere, Cumbria, UK. 3-6 April 2006. - P. 37. A39. Павлов, С. Г. Определение энергии ионизации возбуженных состояний донорных центров в кремнии из спектров накачки и излучения терагерцовых кремниевых лазеров //

«Полупроводники-2007»: Тезисы VIII Российской конференции по физике полупроводников, Екатеринбург, 30 сент. -5 окт. 2007 - Екатеринбург: ИФМ УрО РАН. 2007. - С. 342. A40.Pavlov, S. G. Intracenter Raman silicon lasers // Laser Physics. -

2007.-Vol. 17,No. 8.-P. 1037-1040.

A41.Zhukavin, R. Kh. Influence of uniaxial stress on stimulated terahertz emission from phosphor and antimony donors in silicon / R. Kh. Zhukavin, V. V. Tsyplenkov, K. A. Kovalevsky, V. N. Shastin, S. G. Pavlov, U. Bottger, H.-W. Hiibers, H. Riemann, N. V. Abrosimov, and N. Notzel // Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 90, Issue 5. - P. 051101.

A42.Pavlov, S. G. Low-threshold terahertz Si:As laser / S. G. Pavlov, U. Bottger, H.-W. Hiibers, R. Kh. Zhukavin, K. A. Kovalevsky, V. V. Tsyplenkov, V. N. Shastin, N. V. Abrosimov and H. Riemann // Appl. Phys. Lett.-2007.-Vol. 90, Issue 14.-P. 141109. A43.Zhukavin, R. Kh. Terahertz gain on shallow donor transitions in silicon / R.Kh. Zhukavin, V.N. Shastin, S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, J. N. Hovenier, Т. O. Klaassen, and A. F. G. van der Meer // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 102, Issue 9. - P. 093104. А44.Шастин, В. H. Времена жизни локализованных состояний мелких доноров в кремнии / В. Н. Шастин, P. X. Жукавин, В. В. Цыпленков, С. Г. Павлов, H.-W. Hiibers, P. J. Phillips // «Нанофизика и наноэлектроника»: Материалы XII ежегодного симпозиума, 10-14 марта 2008, Нижний Новгород. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2008.-Том 1.-С. 182-185. А45.Pavlov, S. G. Mono- and polycrystalline silicon for terahertz intracenter lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, N. V. Abrosimov, and H. Riemann // Solid State Phenomena. - 2008. - Vols. 131-133. -P. 579-582.

A46. Abrosimov, N. V. Silicon doped with lithium and magnesium from the melt for terahertz laser application / N. V. Abrosimov, N. Notzel, H. Riemann, K. Irmscher, S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, U. Bottger, P. M. Haas, N. Drichko, and M. Dressel // Solid State Phenomena. -

2008.-Vols. 131-133.-P. 589-593.

A47.Pavlov, S. G. Terahertz emission from phosphor centers in SiGe and SiGe/Si semiconductors / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, N. V. Abrosimov, H. Riemann, H. H. Radamson, N. A. Bekin, A. N. Yablonsky, R. Kh. Zhukavin, Yu. N. Drozdov and V. N. Shastin // Solid State Phenomena. - 2008. - Vols. 131-133. - P. 613-618.

A48. Pavlov, S. G. Multi-crystalline silicon as active medium for terahertz intracenter lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, N. V. Abrosimov, H. Riemann, L. V. Gavrilenko and A. V. Antonov // Physica B. - 2008. - Vol. 403, Issue 4. - P. 535-538. A49.Pavlov, S. G. Terahertz Raman laser based on silicon doped with phosphorus / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, U. Bottger, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, J. N. Hovenier, B. Redlich, N. V. Abrosimov, and H. Riemann // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 92, Issue 9.-P. 091111. A50.Pavlov, S. G. Evidence of noncascade intracenter electron relaxation in shallow donor centers in silicon / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, P. M. Haas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, D. A. Carder and B. Redlich // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 78, Issue 16.-P. 165201. A51. Pavlov, S. G. Relaxation of upper laser levels in terahertz silicon lasers / S. G. Pavlov H.-W. Hubers, R. Kh. Zhukavin, P. J. Phillips, D. A. Carder, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen and V. N. Shastin // IEEE Int. Conf. on Group IV Photonics 2008: Conf. Abstracts, Sorrento, Italy, 17-19 Sept. 2008. - P. 27-28. A52.Pavlov, S. G. Stimulated terahertz emission due to nonlinear frequency conversion in silicon / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, U. Bottger, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, J. N. Hovenier and B. Redlich // "THz Radiation: Basic Research and Applications": Proc. of the Int. Workshop, Alushta, Crimea, Ukraine, 2-4 Oct. 2008. -IEEE Catalog No # CFP0893E-CDR. 2008. - P. 13-15. A53.Pavlov, S. G. Raman lasers due to scattering on donor electronic resonances in silicon / S. G. Pavlov, U. Bottger, N. V. Abrosimov, H. Riemann, V. N. Shastin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer and H.-W. Hubers // Physica B. - 2009. - Vol. 404, Issues 23-24. - P. 4661-4663.

A54.Bekin N. A. Quantum cascade laser design based on impurity-band transitions of donors in Si/GeSi(l 11) heterostructures / N. A. Bekin and S. G. Pavlov // Physica B. - 2009. - Vol. 404, Issues 23-24. - P. 4716-4718.

A55.Pavlov, S. G. Stimulated terahertz emission due to electronic Raman scattering in silicon / S. G. Pavlov, U. Bottger, J. N. Hovenier, N. V. Abrosimov, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, V. N. Shastin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, and H.-W. Hubers // Appl. Phys. Lett. - 2009. - Vol. 94, Issue 17. - P. 171112.

A56.Pavlov, S. G. Optimizing the operation of terahertz silicon lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, U. Bottger, R. Kh. Zhukavin, V. V. Tsyplenkov, K. A. Kovalevsky, V. N. Shastin // IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. - 2009. - Vol. 15, Issue 3. - P. 925-932. A57.Pavlov, S. G. Terahertz lasing from silicon by infrared Raman scattering on bismuth centers / S. G. Pavlov, U. Bottger, N. V. Abrosimov, H. Riemann, V. N. Shastin, B. Redlich, and H.-W. Hubers // Appl. Phys. Lett. - 2009. - Vol. 95, Issue 20. - P. 201110. A58. Shastin, V.N. Advanced THz laser performance of shallow donors in axially stressed silicon crystal / V. N.Shastin, R. Kh. Zhukavin, K. A. Kovalevsky, V. V. Tsyplenkov, S. G. Pavlov and H.-W. Hubers // J. Phys.: Conf. Ser. - 2009. - Vol. 193. - P. 012086. A59.Pavlov, S. Stress-controlled phonon-impurity resonances in terahertz silicon lasers // Phonon Engineering - Theory and Applications: Proceedings of the Material Research Society Fall Meeting, Symposium EE, Boston, MA, USA. 30 Nov. - 4 Dec. 2009. - Vol. 122IE. - Abstract ID # 659941. A60.Pavlov, S. G. Influence of electric field on operation of terahertz intracenter silicon lasers / S. G. Pavlov, U. Bottger, H.-W. Hubers, N. V. Abrosimov, K. Irmscher and H. Riemann // J. Appl. Phys. -2010.-Vol. 107, Issue 3.-P. 033114.

Павлов Сергей Геннадьевич

ЛАЗЕРЫ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ НА ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРАХ В КРЕМНИИ И ГЕРМАНИИ

Автореферат

Подписано к печати 25.03.2010 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН, 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105

Введение

ГЛАВА 1. Мелкие примесные центры и фононы в кремнии, германии и кремний-германиевых соединениях (обзор теоретических и экспериментальных данных)

1.1. Водородоподобные и многозарядные примесные центры в кремнии, 19 германии и кремний-германиевых соединениях.

1.2. Фононы в кремнии, германии и кремний-германиевых соединениях.

1.3. Процессы, определяющие населенности состояний примесных цент- 29 ров в кремнии и германии.

1.4. Модели захвата и внутрицентровой релаксации для мелких примес- 32 ных центров в германии и кремнии.

1.5. Времена жизни неравновесных носителей заряда в состояниях мелких 36 примесных центров в германии и кремнии.

ГЛАВА 2. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот на 40 переходах между примесными состояниями доноров в кремнии

2.1. Образцы кремния, изготовление и тестирование образцов.

2.2. Экспериментальные схемы для исследований.

2.3. Механизмы поглощения и внутрицентрового усиления излучения 47 терагерцового диапазона частот в кремнии «-типа проводимости.

2.4. Генерация терагерцового излучения из кремния, легированного 50 донорами У-й группы (БкБЬ, 81:В1, БкАз), при фотоионизации водородоподобных примесных центров.

2.5. Влияние типа кремниевой матрицы (монокристаллическая, поликри- 61 сталлическая, моноизотопная монокристаллическая ) на характеристики терагерцовых кремниевых лазеров, легированных фосфором.

2.6. Влияние концентрации и типа примесных центров, температуры 64 решетки на стимулированное излучение терагерцового диапазона частот при фотоионизации донорных центров в электронном кремнии.

2.7. Влияние внешних полей на внутрицентровые кремниевые лазеры 71 терагерцового диапазона частот.

2.7.1. Эффект Зеемана для терагерцовых кремниевых лазеров.

2.7.2. Влияние электрического поля на оптически накачиваемые 75 терагерцовые кремниевые лазеры.

2.7.3. Влияние одноосной деформации кристалла на оптически 80 накачиваемые терагерцовые кремниевые лазеры.

2.8. Измерение поглощения терагерцового излучения в оптически 85 возбуждаемом кремнии и-типа проводимости.

2.9. Терагерцовые кремниевые лазеры при резонансном внутрицентровом 88 оптическом возбуждении.

ГЛАВА 3. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот вследствие нелинейного преобразования частоты света в кремнии

3.1. Механизмы комбинационного рассеяния света в кремнии.

3.2. Генерация излучения терагерцового диапазона частот на основе 103 эффекта вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКРС) в кремнии, легированном донорами V-й группы.

3.2.1. Генерация терагерцового излучения на основе эффекта ВКРС в 104 монокристаллическом кремнии, легированном одиночными донорами

V-й группы.

3.2.2. Генерация терагерцового излучения на основе эффекта ВКРС в крем- 116 нии, совместно легированном центрами фосфора и сурьмы (Si:P:Sb).

3.2.3. Особенности стимулированного терагерцового излучения на эффекте 118 ВКРС в кремнии, обогащенном 28м изотопом

3.3. Генерация стимулированного излучения терагерцового диапазона 120 частот на основе эффекта нелинейного смешения частот в кремнии, легированном центрами фосфора (Si:P).

ГЛАВА 4. Стимулированное излучение терагерцового диапазона частот на 124 переходах между состояниями акцепторных центров в германии

4.1. Механизмы поглощения и усиления излучения терагерцового 125 диапазона частот в германии /»-типа проводимости в скрещенных электрическом и магнитном полях Е1В при низких температурах решетки.

4.2. Генерация внутрицентрового терагерцового излучения в скрещенных 130 электрическом и магнитном полях {EUS) при низких температурах решетки в германии, легированном акцепторами III группы.

4.3 Измерение усиления терагерцового излучения в активных средах 134 германиевых лазеров, легированных элементами Ш-й (р-Ge:Ga) и И-й (p-Ge:Be) групп.

4.4 Влияние одноосной деформации кристалла германия на внутрицент- 137 ровое стимулированное излучение из германия (p-Ge:Ga).

ГЛАВА 5. Экспериментально обнаруженные особенности внутрицентровой 141 релаксации носителей заряда в кремнии и германии

5.1. Измерение времен релаксации внутрицентрового возбуждения в 142 электронном кремнии.

5.2. Доминирующие каналы внутрицентровой релаксации в электронном 143 кремнии при оптическом возбуждении и низких температурах.

5.3. Неравновесные населенности возбужденных состояний доноров в 152 кремнии при их оптическом возбуждении.

5.4. Неравновесные населенности возбужденных состояний доноров в 156 кремнии при их электронном возбуждении.

5.5. Неравновесные населенности возбужденных состояний акцепторов в 159 германии при совместном оптическом и электронном возбуждении.

ГЛАВА 6. Поглощение и усиление терагерцового излучения примесными 164 центрами в кремний-германиевых монокристаллах и низкоразмерных кремний-германиевых структурах

6.1. Фотолюминесценция терагерцового диапазона частот из кремний- 165 германиевых n-Sij.^Ge^ кристаллов, легированных мелкими примесными центрами.

6.2. Фотолюминесценция терагерцового диапазона частот из п-Si/ SiixGex 167 структур, селективно легированных донорными центрами.

6.3. Наблюдение электронной модуляции поглощения терагерцового 172 излучения в p-Ge/Gei^Si* структурах методом внутрирезонаторной спектроскопии.

Актуальность темы

Элементарные полупроводники — кремний и германий, а также полупроводниковые соединения на их основе — кремний-германиевые кристаллы и неоднородные структуры, являются объектами широкомасштабных, интенсивных, фундаментальных и прикладных исследований, направленных на более глубокое понимание природы физических эффектов, определяемых различными примесными центрами и дефектами в кристаллической матрице полупроводников, а также использованием их для построения традиционных и принципиально новых полупроводниковых электронных приборов и устройств. Примесные центры - неотъемлемые структурные элементы реальных полупроводниковых материалов. Являясь объектами наноскопического уровня, примеси определяют в конечном счете основные макроскопические свойства полупроводников: электро- и теплопроводность, оптические и магнитные свойства. Постоянный интерес к исследованию возможности создания оптических устройств на основе кремний- и германий-содержащих полупроводников поддерживается в современной кремниевой оптоэлектронике, рассматривающей данные материалы в качестве перспективных кандидатов для создания дешевых, надежных и технологически доступных устройств для передачи и хранения информации. Особое внимание уделяется в последнее время физическим явлениям и процессам, происходящим в терагерцовом спектральном диапазоне частот, который лежит между микроволновым и оптическим диапазонами, давно и широко используемыми, и инструментально представленными традиционными радиоэлектронными и оптическими устройствами. Терагерцовый диапазон частот электромагнитного спектра (1-10 ТГц), альтернативно называемый также длинноволновым/дальним инфракрасным диапазоном длин волн (30-300 мкм), представляет значительный интерес в современных фундаментальных и прикладных исследованиях [20038]. Продвижение в данный спектральный диапазон может существенно раздвинугь достигнутые границы исследований в радиоастрономии для исследования физических процессов на ранней стадии развития Вселенной [2002Б]; в молекулярной и твердотельной спектроскопии для изучения спектров колебаний органических соединений и состояний конденсированной среды и ее дефектов и др. [1998Г, 2006в, 2007Н]. С прикладной точки зрения привлекают возможности терагерцового излучения в биологии [2002Р, 2004Б], например, для ранней диагностики дерматологических онкологических заболеваний; в системах безопасности [2005Р], например, для дистанционного обнаружения потенциально опасных органических материалов; в системах сверхплотной и/или скрытной передачи информации [2003W], Полупроводниковые и сверхпроводниковые твердотельные детекторы предлагают качественное обнаружение и анализ сигналов в ТГц диапазоне [1996Г, 2003Б, 2006С]. В то же время, полупроводниковые источники когерентного ТГц излучения все еще находятся в стадии изучения принципов и разработки реальных устройств. Узкозонные четверные полупроводниковые соединения обеспечивают когерентным стимулированным излучением широкий диапазон в ближней и средней части инфракрасного (ИК) спектра от 2,5 мкм до 35 мкм [1980М2]. К началу цикла исследований, представленных в диссертационной работе, единственными фундаментальными полупроводниковыми лазерами ТГц диапазона являлись генераторы на основе межподзонных переходов и связанным с ними излучением на переходах между уровнями Ландау легких дырок валентной зоны дырочного германия (p-Ge лазер), работающие в импульсном режиме при накачке скрещенными электрическим и магнитным полями (ELB) при низких температурах (<20 К) и перекрывающие диапазон частот 1-4,2 ТГц для межподзонных p-Ge лазеров (см. [А1993М2] и обзор [А2005Н1] и 1,2-2,8 ТГц для p-Ge лазеров «на циклотронном резонансе» [2009К]. Отличительной особенностью данных лазеров является аномально широкий спектр усиления, позволяющий реализовывать широко, и непрерывно перестраиваемые по частоте источники излучения. Однако, низкая эффективность p-Ge лазеров (коэффициент усиления ~ 0,01 см"1 [А1999М]) и высокие потребляемые мощности (типичные значения полей и тока: 1 Тесла, 1 кВ/см, 500 А) в значительной степени ограничивают возможности применения данных источников. В последнее время достигнут существенный прогресс в расширении спектра излучения в длинноволновую часть для инфракрасных квантово-размерных каскадных лазеров на арсенид-галлиевых гетероструктурах, перекрывших к настоящему времени диапазон 1-5 ТГц (см. например обзор [2007W]). Необходимая для усиления света инверсная заселенность состояний двухмерных подзон в этих лазерах формируется при вертикальном транспорте электронов по т. н. квантовому каскаду, что предопределяет высокие коэффициенты усиления ТГц излучения на переходах между подзонами двумерных электронов в квантовых ямах. Эти лазеры демонстрируют высокую эффективность - до единиц процентов, высокие рабочие температуры - до 150 К, непрерывный режим генерации, относительно низкое потребление энергии. К сожалению, серьезным недостатком каскадных лазеров являются ограничения, накладываемые микроскопическими размерами активной среды (типичные толщины структур не превышают 10-15 мкм), которые предопределяют высокие потери длинноволнового излучения в субволновых резонаторах, не позволяют сформировать узкую диаграмму направленности выходного излучения, необходимую для использования данных устройств во многих оптических схемах. Продвижение арсенид-галлиевых каскадных лазеров в длинноволновую область ТГц спектра ограничено ростом потерь излучения в резонаторе и поглощением излучения свободными электронами, а в высокочастотную часть ТГц спектра - полярным решеточным поглощением. Альтернативными принципами генерации ТГц излучения в полупроводниковых активных средах можно считать нелинейные эффекты смешения частот в полупроводниковых лазерных диодах [2002В, 2007Б] и нелинейные механизмы генерации с участием межподзонных переходов в каскадных лазерах [20030, 2007В]. Первый тип указанных источников характеризуется низкой выходной мощностью и относительно широкой линией излучения, что ограничивает прикладные возможности, в то время как второй является частным случаем конкретного спектра электронных состояний в гетероструктуре и не может быть обобщен для реализации широкого спектра устройтв ТГц диапазона частот.

Значительный интервал частот, от 5 до 10 ТГц, остается до настоящего времени недоступным для полупроводниковых источников стимулированного излучения.

В данной диссертационной работе исследуется альтернативный подход к разработке лазеров ТГц диапазона частот на основе элементарных полупроводников и их соединений. Он использует оптические переходы между локализованными состояниями водородоподобных примесных центров в кремнии, германии и кремний-германиевых соединениях. Примесные центры в полупроводниках предлагают уникальную возможность создания эффективных оптических устройств для материалов с непрямой зонной структурой, т. е. когда зона проводимости имеет минимум (дно) спектра состояний свободных электронов, смещенный относительно аналогичного минимума (потолок) спектра электронных состояний валентной зоны. В таких материалах, в том числе в элементарных полупроводниках кремнии и германии, традиционная схема создания инверсной заселенности - ииверсия между зоной проводимости и валентной зоной - неэффективна. Структура внутренних (внутрицентровая) состояний примесного центра, напротив, предлагает возможность прямых оптических переходов, независимо от положения дна зоны проводимости в зоне Бриллюэна. Это принципиальное качество было предложено для создания инвертированных распределений заряда на состояниях мелких (т. е. с энергией ионизации значительно меньше ширины запрещенной зоны) водородоподобных донорных центров в кремнии с помощью их фотоионизации при низких температурах кристаллической решетки [1996511]. Возможность создания полупроводниковых лазеров ТГц диапазона частот на основе внутрицентровых переходов, характеризующихся высокими значениями сил осциллятора и длинными, по сравнению с состояниями подзон, временами жизни, представляет значительный интерес как с чисто фундаментальной точки зрения (рис. 1), так и с позиции их потенциального интегрирования в цепях современных оптоэлектронных устройств [2006Ь].

638

APPLIED PHYSICS

Toward Bridging the Terahertz Gap with Silicon-Based Lasers

Alexander Borak

Many technologies use the optical and electronic regions of tlie electromagnetic spectrum. Wavelengths <30 jim are used in optical data storage, fiber-optic communications, and spectroscopy, whereas wavelengths >300 jim are the domain of electronics, radio communi-catious.and radar. In contrast, the "terahertz gap" from 3(1 to 300 ¡im f I to 10 THz) has barely been exploited because no cheap and practical sources of terahertz radiation exist. In recent years, substantial progress has been made in developing such devices. Tehahertz lasers based on silicon would be particularly desirable because of their compatibility with silicon technology.

The development of a silicon-based terahertz laser is part of the larger effort to build the first silicon-based laser. The latter effort recently received a boost with the announcement ofan optically pumped silicon Raman laser operating at ~ 1.7 tin\(l).

100 DO £0

Wavelength (pm) 70 60 ao

3.5

29 APRIL 2005 VOL 308 SCIENCE www.sriencemag.org

Published by AAAS lasing at similar wa\clcngths from silicon moncicrystals doped with arsenic (S).

These silicon-based terahertz lasers an: being developed for applications in astronomy and atmospheric spectroscopy. IIo\\e\er, they require a separate optical pump laser and operate only at low temperatures. An ideal laser would be electrically pumped, directly emit terahertz radiation. and operate at room temperature.

Impurity emission from doped 5,0 silicon can also be initiated by electrical pumping. Lv el ul. recently demonstrated impurity-related electroluminescence from 20to 50 um (6 to I-I TIIz) from doped silicon under pulled currents (9). Tlie results are encouraging and the devices easy to fabricate, but the emission degrades above 20 K. Furthermore, if the devices are to lase, population inversion is required, and no evidence of this was seen for these structures.

In 2002, Koilier cl til. reported the development of a terahertz quantum cascadc laser based on lavercd IH-V semiconductor het-erostructurcs (JO). The work was a major step toward a compact and practical electrically pumped terahertz emitter. In a quantum cascade

C02 pump

1- /sfcP c.b.

2pD

ISfTz) :

1S(A,)

60

65 to -IS 5.0 55 Frequency (THz)

A terahertzphosphorus-doped silicon (Si:P) laser. A sharp emission is seen at -5.5 THz, Such terahertz silicon lasers may eventually be used on telescopes such as the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. Left inset: Optical pumping of Si:P (blue arrow) leads to terahertz User emission fred arrow}. Middle inset: In 5i:P.

Рис. i. Фрагмент обзорной статьи Science [2005В] о перспективах развития кремний-содержащих активных сред терагерцового диапазона частот, цитирующей принцип внутрицентровой генерации излучения (кремниевый лазер, легированный фосфором).

Кремний и германий характеризуются низким уровнем оптических потерь в указанном спектральном диапазоне, высокой теплопроводностью, технологичностью, и наиболее высоким для полупроводников уровне контроля дефектов и вводимых примесей, включая водородоподобные центры. Такие центры давно являются объектами разностороннего изучения. Однако основные работы, как правило, были направлены на исследование спектров локализованных состояний в равновесных условиях, спектроскопию примесного поглощения (см., например, обзор [198111]), изучения влияния примесных центров на электропроводность полупроводников и связанные с этим проблемы захвата свободных носителей заряда на кулоновские центры [1997А1]. В умеренно легированных материалах с невырожденным спектром электронных состояний при низких (не выше 10-20 К) температурах основной вклад во внутрицентровую релаксацию неравновесных электронов вносят процессы, определяемые взаимодействием с фононным спектром [1978А]. Несмотря на многолетнюю историю теоретического анализа процессов низкотемпературной внутрицентровой релаксации электронов (см. введение в [1997А1]), полученные теоретические результаты в рамках различных модельных представлений, основанных как правило на т. н. каскадной схеме захвата, не могли однозначно и количественно точно объяснить экспериментальные результаты по внутрицентровой релаксации электронов в материалах с различными примесными центрами и реализуемые в эксперименте неравновесные населенности возбужденных примесных состояний. В этой связи исследование процессов внутрицентровой релаксации носителей и характерных времен жизни неравновесных электронов имело принципиальное значение для верификации теоретических моделей, а также оценок возможностей создания активных материалов на основе легированных элементарных полупроводников.

В последнее время изучение примесных центров в кремнии снова вызвало повышенный интерес в связи со значительными успехами в технологии получения кристаллов кремния с высоким уровнем обогащения отдельными изотопами:

ЯП

2001Д, 2006В, 200811]. В этих принципиально новых материалах качественным образом меняется динамика высокоэнергетичных фононов, вырастает теплопроводность, коренным образом меняются времена релаксации спина электронных состояний, наблюдаются предельно узкие линии примесного поглощения, ширина которых определяется временем жизни возбужденных состояний центров. Другим стимулом исследований является принципиальная возможность разработки элементов памяти для хранения информации в квантовых компьютерах на основе моноизотоппого кремния [1994К].

Все вышесказанное ставит новые задачи исследования физики неравновесных состояний доноров и акцепторов при их оптическом и полевом возбуждении и последующей релаксации при электрон-фононном взаимодействии. Таким образом, изучение эффектов стимулированного излучения примесными центрами и кремнии, германии и соединениях на их основе, которые определяются особенностями внутрицентровых процессов распада состояний, представляется актуальной задачей в связи с развитием новых устройств кремниевой оптоэлектроники.

Цель диссертационной работы

1. Экспериментальное исследование неравновесных населенностей состояний мелких доноров и акцепторов в полупроводниках кремнии и германии, а также соединениях на их основе в условиях электронного и оптического возбуждения.

2. Обнаружение эффектов и исследование характеристик стимулированного излучения на переходах между состояниями мелких примесных центров в кремнии и германии в условиях оптического и полевого возбуждения инверсной заселенности.

3. Идентификация рабочих переходов и анализ условий наблюдаемого в эксперименте терагерцового стимулированного излучения в кремнии, легированном водородоподобными донорными центрами.

4. Экспериментальное исследование эффектов вынужденного комбинационного рассеяния инфракрасного излучения на донорах У-й группы в кремнии.

5. Измерение малосигнального коэффициента терагерцового усиления / поглощения на межподзонных переходах валентной зоны германия в скрещенных электрическом и магнитном полях в зависимости от типа акцепторных центров.

6. Отработка методики низкотемпературной (< 20 К) внутрирезонаторной спектроскопии для измерения малых коэффициентов поглощения терагерцового излучения (3-4 ТГц) с использованием лазера на ¿»-германии.

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в обнаружении следующих эффектов и впервые полученных данных:

1. Получена и экспериментально исследована генерация излучения терагерцового диапазона частот при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения донорами У-й группы периодической системы (фосфор Р, сурьма БЬ, мышьяк Аэ, висмут В1) в монокристаллическом кремнии.

2. Получено и экспериментально исследовано стимулированное терагерцовое излучение на дипольно-разрешенных переходах между возбужденными состояниями доноров У-й группы при оптической накачке инверсной заселенности этих состояний. Установлены рабочие состояния и специфика лазеров, легированных различными центрами.

3. Экспериментально обнаружен эффект переключения частот (рабочих переходов) стимулированного излучения, связанного с инверсной заселенностью состояний водородоподобных доноров в кремнии, при изменении энергии кванта оптической накачки.

4. Экспериментально доказано наличие различных каналов внутрицентровой релаксации неравновесных носителей, захваченных на донорный кулоновский центр.

5. Установлено влияние внешних электрических (БкР) и магнитных полей (Эк?, :В1) и давления, приложенного к кристаллу (ЗкАэ, БкР), на механизмы и эффективность стимулированного терагерцового излучения в кремнии.

6. Показана зависимость малосигнального коэффициента усиления в лазере на межподзонных переходах валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации скрещенных электрического и магнитного полей от типа акцепторных центров. При оптимальных значениях концентрации легирующих центров коэффициент усиления ТГц излучения в германии, легированном бериллием, составляет 0,02 см"1 и превышает тот, что может быть получен в германии при его легировании галлием, почти в два раза.

Практическая значимость работы

1. Полученные результаты по эффектам стимулированного излучения доноров У-й группы в кремнии показывают новые возможности развития полупроводниковых лазеров терагерцового диапазона частот на основе примесных центров.

2. Полученные результаты по временам релаксации возбужденных состояний доноров в кремнии важны для разработки новых устройств на основе мелких доноров в кремнии, в частности, квантовых компьютеров на базе моноизотопного электронного кремния.

Результаты экспериментальных исследований лежат в основе положений, выносимых на защиту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комбинационное рассеяние инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Аэ, ЕЙ) при низких температурах решетки в кремнии приводит к стоксовому процессу стимулированного излучения терагерцового диапазона частот. Стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1л(А1)-1л(Е) перехода между основным и возбужденным состояниями 1,у мультиплета.

2. Фотоионизация доноров У-й группы в кремнии при низких температурах решетки приводит к инверсной заселенности состояний и терагерцовому стимулированному излучению на внутрицентровых 2ро—> Ь'ОГг) переходах в БкБЬ, на 2р±^> 1д(Т2), 1 ¿(Е) переходах в ЭкАэ и на 2Ь(Е), Ъ(Т2:Г8), 1л'(Т2:Г8) переходах в ЗкВь

3. Рабочие уровни терагерцовых внутрицентровых кремниевых лазеров (8кВ1, 8к8Ь, Б^Аб), как нижние 1л(Е), 1л-(Т2), так и верхние 2ро, 2р±, Зро, 4ро, переключаются при изменении энергии кванта накачки.

4. Инверсная заселенность состояний оптически возбуждаемых доноров при низких температурах решетки в кремнии контролируется внутридолинными и междолинными переходами электронов при излучении акустических (БгР, БкЗЬ, Б^Аз) и оптических (51:Вх) фононов. Специфика внутрицентровой релаксации конкретного донора определяется химическим сдвигом энергии связи основного состояния центра.

5. Частота кремниевых лазеров, использующих внутрицентровые переходы 2р±—> 1^(Т2), 2р±—>15(Е), непрерывно перестраивается магнитным полем в соответствии с линейным эффектом Зеемана. Для лазеров с рабочим переходом 2ро~> ^"(Тг) магнитное поле не меняет частоты стимулированного излучения по крайней мере до 2 Тесла.

6. Установлено, что механизм, связанный с поглощением на примесно-зонных переходах, приводит к существенному уменьшению результирующего коэффициента усиления ТГц излучения в лазерах на межподзонных переходах валентной зоны в дырочном германии.

Апробация результатов работы

Основные результаты данной диссертационной работы представлялись в 87 докладах на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

• XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Киев, 1990);

• II Всероссийский симпозиум по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991);

• I, III, V, VI, VII, VIII, IX Российские конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород 1РКФП 1993; Москва III РКФП 1997; Нижний Новгород - Казань V РКФП 2001; Санкт-Петербург VI РКФП 2003; Звенигород VII РКФП 2005; Екатеринбург VIII РКФП 2007; Новосибирск - Томск IX РКФП 2009);

• Всероссийское Совегцание "Наноструктуры на основе кремния и германия" (Нижний Новгород, 1998);

• Всероссийское Совещание "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 2000);

• IX, XII, XIV Ежегодные Симпозиумы "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород, 2005; 2008);

• 24th, 26th, 28th International Conferences on Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, ICPS 1998; Edinburgh, UK, ICPS 2002; Vienna, Austria, ICPS 2006);

• 9th, 10th International Conferences on Shallow-level centers in semiconductors (Hyogo, Japan, SLCS 2000; Warsaw, Poland, SLCS 2002);

• 21st, 25th International Conferences on Defects in Semiconductors (Giessen, Germany, ICDS 2001; Санкт-Петербург ICDS 2009); 16th, 18th, 26th, 27th, 28th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Lausanne, Switzerland, IRMMW 1991; Colchester, GB, IRMMW 1993; Toulouse, France, IRMMW 2001; San Diego, USA, IRMMW 2002; Otsu, Japan, IRMMW 2003);

• the International Conference on Infrared and Millimeter Waves and Applications (San Diego, USA, 1994); II International Conference on Terahertz Spectroscopy and Applications (Munich, Germany, 1999); 7th International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Nara, Japan, HCIS 1991);

• the International Terahertz Workshop (Sandbjerg Estate, Denmark, ITW 2000);

• 13th International Conference on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (Modena, Italy, NCDS 2003); the NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser" (Trento, Italy, 2002);

• 6th, 7th International Symposiums "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург 1998; 1999);

• 10th, 11th IEEE International Confet •ences on Terahertz Electronics (Cambridge, UK, 2002; Sendai, Japan, 2003);

• 6th, 7th, 9th Symposiums of IEEE/LEOS, Benelux Chapter (Brussels, Belgium, 2001; Amsterdam, The Netherlands, 2002; Gent, Belgium, 2004);

• Annual FOM Condensed Mailer Conference (Veldhoven, The Netherlands, 2001);

• 11th, 12th International Conferences on Phonon Scattering in Condensed Matter (Санкт-Петербург, 2004; Paris, France, 2007);

• Joint 29th, 31st, 32nd, 33rd, 34th International Confe rences on Infrared and Millimeter Waves and 12th, 14th, 15th, 16th, 17th International Confer ences on Terahertz Electronics (Karlsruhe, Germany, IRMMW-THz 2004; Shanghai, China; IRMMW-THz 2006, Cardiff, Wales, IRMMW-THz 2007; Pasadena, California, USA, IRMMW-THz 2008; Busan, Korea, IRMMW-THz 2009);

• the International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources (Rathen, Germany, 2005);

• 35th Workshop of the International School of Solid State Physics: Physics and Technology of THz Photonics (Erice, Italy, 2005);

• the Rank-Prize Funds Mini-Symposium on Si-based Optoelectronics (Windermere, UK, 2006); о the E-MRSIUMRSICEMSpring Meetings: 2006, Symposium D "Silicon-basedPhotonics" (Nice, France, 2006), 2008, Symposium С "Frontiers in silicon-based photonics" (Strasbourg, France, 2008);

• III SPIE Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy (Orlando, USA, 2006);

• the Joint Conference on Laser and Opto-Electronics (CLEO 2006) and the Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS 2006) (Long Beach, USA);

• 12th International Conference on High Pressure Semiconductor Physics (Barcelona, Spain, 2006);

• XII International Conference "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology" (Erice, Italy, GADEST 2007);

• the Material Research Society (MRS) Fall Meetings (Boston, MA, USA, 2007; 2009);

• 21st IEEE International Semiconductor Laser Conference (Sorrento, Italy, ISLC 2008);

• 5th IEEE International Conference on Group IVPhotonics (Sorrento, Italy, GPF 2008);

• 2nd, 4th International Conferences on Advanced Optoelectronics and Lasers (Ялта, Украша, CAOL 2005; Алушта, Украша, CAOL 2008);

• the International Workshop "THz Radiation: Basic Research and Applications " (Алушта, Украша, TERA 2008);

• the Annual Meeting 2008 of the Scientific European Optical Society (Paris, France, EOSAM 2008);

• 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier, France, EDISON 2009);

• the NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications (Turunç-Marmaris, Turkey, TERA-MIR 2009);

• а также в Институте исследований планет Немецкого аэрокосмического центра в Берлине (Institut für Planetenforschung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin, Germany) и 1-ом Физическом Институте Штутгартского университета (1. Physikalisches Institut, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany).

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках проектов 93-02-14661-а, 96-02-00249-нни0-а, 96-02-19275-а, 99-02-17958-а, 00-02-040Ю-ННИО-а, 02-02-16790-а, 03-02-040Ю-ННИО-а, 05-02-16734-а РФФИ, РФФИ-ННИО, Президентской программы поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-419.2008.2 «Фундаментальные научные проблемы развития кремниевой оптоэлектроники и освоения терагерцового диапазона с использованием полупроводниковых наноструктур».

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и в 84 трудах и тезисах конференций. Список трудов автора по теме диссертации приведен в Заключении. Используется хронологическая система ссылок на цитируемые работы.

Личный вклад автора

Все приведенные в диссертации результаты исследований получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Вклад соискателя в постановку задачи и проведение измерений является определяющим в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на основе вынужденного электронного комбинационного рассеяния света в монокристаллическом кремнии, легированном донорами V-й группы периодической системы элементов [A35, А37, А49, А52, А57] в моноизотопном кремнии [А53]; в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на переходах между локализованными состояниями доноров в монокристаллическом кремнии, легированном висмутом [А17, А19, А21], сурьмой [А20, А22], мышьяком [А28], и поликристаллическом кремнии [А45, А48], легированном фосфором; в работах по наблюдению ТГц излучения из кремния, легированного междоузельными центрами 1-й и 11-й группы периодической системы [А46], кремний-германиевых монокристаллических сплавов [А47]; при анализе значений энергий связи четных возбужденных состояний доноров в кремнии [А39], при исследовании температурного режима кремниевых лазеров [А56]; в работах, посвященных определению влияния внешних магнитного [A3 6] и электрического полей [А60] на функциональность кремниевых лазеров; в работах по исследованию влияния примесного поглощения на усиление ТГц излучения в j?-Ge:Be и p-Ge:Ga лазерах [Al 6]. Соискателю принадлежит основная роль в проведении экспериментов и в интерпретации полученных результатов по идентификации долгоживущего возбужденного состояния донорных центров в Si:P [А12]; определению порогов, спектров излучения и реализованных лазерных схем в условиях внутрицентрового возбуждения доноров в кремнии [А26]; влиянию одноосной деформации Si:As кристалла [А36] и магнитного поля (Si:Bi, Si:P) [А42] на фунциональность кремниевых лазеров; в определении каналов внутрицентровой релаксации в Si:As [А50]. Работы [А25, А38, А40, А59] выполнены соискателем без соавторов. В остальных работах вклад соавторов равноправен. Это касается обнаружения эффектов внутрицентрового стимулированного излучения в /;-Gc:Ga лазерах, включая исследование влияния одноосной деформации кристалла на внутрицентровое излучение j5-Ge:Ga лазера [А1-А8]; использования техники внутрирезонаторной спектросокопии на основе ТГц р-Ge:Ga лазера [А9, А10]; обсуждения возможных схем усиления/генерации ТГц излучения и экспериментальных исследований по поиску усиления ТГц излучения в объемном кремнии [Al 1, А14, А18, А23, А24, А27, А29-А34, А41, А43, А55, А58] и низкоразмерных полупроводниках при оптическом [Al5, А47] и полевом возбуждении [А54] примесных центров; исследовании усиления ТГц излучения в j?-Ge:Ga лазерах [А13]; экспериментальном измерении времен жизни возбужденных состояний примесных центров [А44, А51].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем 217 страниц, включая 158 рисунков и 13 таблиц. Список литературы автора содержит 134 наименований, цитируемой литературы - 192 наименования.

Содержание работы

Первая глава содержит обзор литературы по тематике работы с акцентом на спектры локализованных состояний мелких доноров и спектры фононов в кремнии, германии и кремний-германиевых сплавах. Приводятся теоретические представления о доминирующих механизмах внутрицентровой релаксации при низких температурах решетки, кратко обсуждаются вопросы формирования неравновесных распределений носителей заряда в полупроводниках. Даются оценки времен внутрицентровой релаксации в кремнии и германии, полученных из анализа широкого спектра экспериментальных результатов в сравнении с теоретически рассчитанными. Вторая глава посвящена исследованиям терагерцовых кремниевых лазеров на переходах между возбужденными состояниями мелких доноров в кремнии при их оптической накачке излучением лазеров среднего ИК диапазона — СО2 лазеров и частотно-перестраиваемым инфракрасным лазером на свободных электронах, ИК ЛСЭ, FELIX, и низких температурах решетки (<5°К). Разделы 2.1, 2.2 посвящены вопросам изготовления кремниевых кристалов и образцов, и технике эксперимента. В разделе 2.3. обсуждаются механизмы поглощения и внутрицентрового усиления ТГц излучения в кремнии, кратко формулируются теоретические предсказания усиления ТГц излучения с указанием ожидаемых схем генерации и условий наблюдения стимулированного излучения. Следующие разделы 2.4-2.6 концентрируются на достигнутых схемах генерации ТГц излучения, приводятся оптические пороги генерации для схем лазеров при резонансной накачке в различные возбужденные состояния донорных центров, спектры излучения лазеров, динамика лазерного излучения, температурные и концентрационные границы эффекта ТГц стимулированного излучения. Исследованию влияния различных кремниевых матриц: изотопно-обогащенной монокристаллической с- Si:P), природной многоизотопнои монокристаллической (c-Si:P) и поликристаллической (mc-Si:P), - легированных фосфором, на стимулированное излучение внутрицентровых лазеров посвящен раздел 2.5. В разделе 2.6 приводятся результаты наблюдении усиления ТГц излучения для образцов кремния, легированного междоузельными мелкими донорными центрами Той и Н-ой группы. В разделе 2.7 исследуется влияние стационарных внешних полей, магнитного и электрического, а также одноосной деформации кристалла кремния на функциональность кремниевых лазеров. Раздел 2.8 посвящен исследованию потерь ТГц излучения в оптически накачиваевых кремниевых активных средах. Раздел 2.9 рассматривает эффекты стимулированного ТГц излучения в кремнии при внутрицентровом возбуждении доноров.

Третья глава посвящена исследованиям стимулированного ТГц излучения на основе эффектов нелинейного преобразования частоты инфракрасного излучения, таких как вынужденное комбинационное рассеяние света (раздел 3.2) на электронных резонансах мелких доноров в кремнии и четырехволновое смешение частот (раздел 3.3), при их оптической накачке мощным лазерным излучением среднего инфракрасного диапазона (ИК ЛСЭ). Приводятся данные об оптических порогах генерации, спектральном анализе, временной динамике лазерного излучения.

Лазеры на примесных переходах в дырочном германии, работающие в скрещенном электрическом и магнитном полях при низких равновесных температурах решетки (< 20°К), рассматриваются в четвертой главе диссертации. Механизмы поглощения и усиления ТГц излучения рассмотрены в разделе 4.1. Раздел 4.2. посвящен генерации ТГц излучения на примесных переходах акцепторов Ш-й группы. Результаты измерений усиления ТГц излучения на межподзонных переходах приведены в разделе 4.3. В разделе 4.4 изложены результаты исследования влияния одноосной деформации кристалла германия на перестройку частоты излучения Ое:Оа лазеров на примесных переходах.

Пятая глава посвящена особенностям внутрицентровой релаксации носителей заряда в кремнии и германии, установленных экспериментальными методами. В разделе 5.1 рассмотрены проблемы экспериментального измерения времен релаксации внутрицентрового оптического возбуждения в электронном кремнии. Раздел 5.2 посвящена анализу результатов спектральных исследований кремниевых лазеров ТГц излучения при их внутрицентровом оптическом возбуждении (БкАз, ЭкР). В разделах 5.3-5.5 анализируются распределения носителей по возбужденным состояниям центра при оптической (для кремния) и электронной (для кремния и германия) накачке.

Шестая глава обсуждает обнаруженное ТГц излучение и его усиление в легированных мелкими донорами кремний-германиевых соединениях: Бм-лОе* монокристаллах (раздел 6.1) и З^Б^-дСе* структурах (раздел 6.2), при их оптическом возбуждении. Специальное внимание (раздел 6.3) уделено технике низкотемпературной внутрирезонаторной спектроскопии низкоразмерных полупроводниковых структур на основе ТГц р-Сс лазера с составной конструкцией резонатора.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, выражаются благодарности, приводится список литературы.

Заключение

Проведенные исследования мелких примесных центров в элементарных полупроводниках, сплавах и полупроводниковых структурах показали возможности создания различных схем инвертированных распределений носителей заряда на локализованных состояниях центров при их оптическом и электронном возбуждении и низких температурах решетки. Для некоторых материалов, таких как кремний, легированный водородоподобными донорными центрами, и германий, легированный водородоподобными акцепторными центрами, оптическая накачка приводит к эффектам стимулированного излучения на внутри центровых переходах. Излучение лежит в терагерцовом спектральном диапазоне, нуждающемся в эффективных когерентных источниках излучения. Данный диапазон представляет потенциальный интерес для различных отраслей фундаментального и прикладного знания. Внутрицентровая инверсия при чисто электронной накачке не была обнаружена для объемного кремния и германия, по крайней мере, для однородно легированных материалов и для мелких примесных центров. В то же время, успех в создании инвертированных схем для состояний примесных центров, позволяет надеяться на их использование в более эффективных схемах, таких как каскадные полупроводниковые лазеры. Глубокие примесные центры, однозначно, представляют особый интерес для активных сред инфракрасного диапазона, и являются следующим логическим шагом исследований в этой области. Особенности внутрицентровой релаксации носителей, обнаруженные и проанализированные в данной работе, показывают на необходимость теоретической ревизии признанных и долгое время считавшихся доминирующими схем внутрицетровой релаксации носителей на мелкие центры при низких температурах решетки кристаллов. Особое значение в этих исследованиях могут сыграть экспериментальные исследования времен жизни возбужденных локализованных состояний. Несомненный интерес представляет исследование материалов с высоким уровнем изотопного обогащения кристаллов, в которых спектры и динамика фононных мод меняются качественным образом, что переопределяет в конечном счете важные характеристики состояний примесных центров, такие как, например, времена безызлучательного распада. Надо отметить, что другие элементарные полупроводники были исследованы в рамках цикла данных работ. В некоторых из них было также обнаружено усиление излучения терагерцового диапазона частот [А2001П, А2003Р1, А2004И], что открывает потенциал для новых полупроводниковых источников ТГц стимулированного излучения.

В заключении приведем главные научные результаты диссертационной работы:

1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения терагерцового диапазона (4,5-6,4 ТГц) при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Ай, В1) в кремнии. Показано, что стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1.у(А1)-1^(Е) перехода между основным 15(А0 и возбужденным состояниями мультиплета. Этот параметр, также как и энергия основного состояния Г^А]), зависит от элемента легирования.

2. Получен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения оптически возбуждаемых доноров У-й группы в кремнии при охлаждении кристалла до температур Т< 15-30 К. Наблюдаемое излучение лежит в терагерцовом диапазоне частот и развивается при фотоионизирующей накачке доноров на внутрицентровых 2р$—» 1^(Тг) переходах в БкЭЬ, на 2р±—> 1 л(Т2), Ь(Е) переходах в ЭкАя и на 2р±—> 1л(Е), 1л(Т2:Г8), и(Т2:Г8) переходах в 81:В1 благодаря инверсной заселенности указанных электронных состояний. Определены оптимальный уровень легирования, пороговые значения интенсивности накачивающего излучения и температурный режим данных лазеров.

3. Исследовано ТГц стимулированное излучение донорных центров У-й группы (Р, БЬ, Аб, ВО в кремнии при внутрицентровом оптическом возбуждении их состояний. Обнаружено, что при таком способе создания инверсной заселенности рабочая схема и соответствующая частота стимулированного излучения зависит от накачиваемого донорного возбужденного состояния, т. е. от энергии кванта оптической накачки, и отличается для разных центров.

4. Экспериментально установлено, что для доноров в кремнии при низкотемпературной релаксации на акустических фононах (внутридолинные переходы) состояния 3р± и 3/?о с большей вероятностью релаксируют соответственно в 2р± и 2ро состояния, минуя промежуточные. В случае прямого возбуждения континуума зоны проводимости или более близких к нему связанных состояний доминирующий маршрут релаксации проходит через состояние 2р±. Такой вывод получен на основе данных о переключении рабочих переходов стимулированного излучения доноров мышьяка при изменении энергии кванта внутрицентровой оптической накачки.

5. Экспериментально показано, что внешнее магнитное поле перестраивает частоту стимулированного излучения в Si:Bi, рабочие переходы 2р±—»l£(T2), Ь(Е). Дана количественная оценка такой перестройки. Магнитное поле вплоть до 2 Т не меняет частоты стимулированного излучения в Si:P, рабочий переход 2ро —» ^(Тг).

6. Экспериментально показано, что внешнее электрическое поле при значениях ниже примесного пробоя в Si:P уменьшает инверсию населенностей между рабочими уровнями лазера, т.е. на переходе 2/>о—> ЩТг), а в полях выше пробоя донорных центров полностью подавляет стимулированное излучение.

7. Экспериментально определена энергия связи четных возбужденных состояний 1^(Е), 1л'(Т2:Г8), Ь(Т2:Г7), 2s(E) доноров V-й группы в кремнии. Это сделано на основе анализа спектральных характеристик стимулированного излучения при резонансном внутрицентровом возбуждении этих центров с точностью определения энергии до 0,01 мэВ и уточняет существующие данные спектроскопии донорных центров.

8. Установлено, что поглощение на примесно-зонных переходах значительно уменьшает коэффициент усиления в лазерах на межподзонных переходах дырок валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации приложенных скрещенных электрического и магнитного полей. Измерения показали, что максимум коэффициента усиления для германия, легированного галлием, близок к 0,012 см"1, но может быть увеличен в германии с бериллием до 0,02 см"1. Различие связано с примесно-зонным поглощением межподзонного (10-13 мэВ) излучения в Ge:Ga, имеющего энергию связи основного состояния 11,32мэВ в отличие от Ge:Be (энергия связи 24,22 мэВ), где данный механизм потерь ТГц излучения отсутствует.

Благодарности

Полученные результаты во многом обязаны поддержке и участию в представленном цикле экспериментальных и теоретических исследований большой группы ученых, технического и административного персонала, которым выражаются глубокие искренние благодарности. Прежде всего это относится к регулярным соавторам большинства работ - В. Н. Шастину, H.-W. Hübers, Р. X. Жукавину, Е. Е. Орловой, А. В. Муравьеву, Н. А. Бекину, а также М. Н. Rümmeli, U. Böttger, J. N. Hovenier, Т. О. Kl aasen, E. Bründermann, К. А. Ковалевскому, В. В. Цыпленкову, В. Я. Алешкину, В. И. Гавриленко, А. А. Антонову, А. Auen, R. Eichholz, и мн. др. Данные исследования были бы невозможны без технологической и технической поддержки, обеспеченной Н. В. Абросимовым, Н. Riemann, К. Irmscher, H. Richter, M. Greiner-Bär, О. А. Кузнецовым, Б. Н. Звонковым. Важная поддержка спектроскопией была предоставлена Б. А. Андреевым, P. M. Haas, M. Dressel, S. A. Lynch, M. Wienold, JI. В. Гавриленко. Успешное проведение экспериментов на ИК ЛСЭ в Нидерландах было обеспечено В. Redlich, A. F. G. Van der Meer, R. van Buuren, D. A. Carder, P. J. Phillips, N. Q. Vinh. Постоянный интерес и поддержку данным исследованиям проявляли 3. Ф. Красильник, С. В. Гапонов, А. А. Андронов, H.-W. Hübers, Н.-Р. Röser.

1. А1990М1. Муравьев, А. В. Стимулированное излучение на переходах между возбужденными и основным состояниями акцепторной примеси в германии / А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, В. Н. Шастин // Письма в ЖЭФТ. 1990. - Т. 52, вып. 6. - С. 959-964.

2. A1992D. Demihovsky, S. V. Stimulated emission using shallow acceptor states transitions in germanium / S. V. Demihovsky, A. V. Murav'ev, S. G. Pavlov, and V. N. Shastin // Semicond. Sci. Technol. 1992. - Vol. 7, Issue 3B. - P. B622-B625.

3. A19980. Orlova, E. E. Far infrared active media based on the shallow impurity states transitions in silicon / E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin, S. G. Pavlov and V. N. Shastin // physica status solidi (b). 1998. - Vol. 210, Issue 2. - P. 859-863.

4. А1999Ш. Шастин, В. H. Внутрирезонаторная спектроскопия гетероструктур Ge/Gei. xSix в дальнем ИК диапазоне длин волн / В. Н. Шастин, Н. А. Бекин, P. X. Жукавин, С. Г. Павлов, О. А. Кузнецов // Изв. АН, серия физ. 1999. - Том 63, вып. 2. - С. 374378.

5. A2001H1. Hubers, H.-W. Terahertz emission from silicon doped by shallow impurities / H.W. Hiibers, S. G. Pavlov, M. H. Riimmeli, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, H. Riemann and V. N. Shastin // Physica B. 2001. - Vols. 308-310. - P. 232-235.

6. A2002P2. Pavlov, S. G. Terahertz optically pumped Si:Sb laser / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, and V. N. Shastin // J. Appl. Phys. -2002. Vol. 92, Issue 10. - P. 5632-5634.

7. Physics of Semiconductors: Conf. Abstracts, Edinburgh, UK, 29 July 2 Aug. 2002. London: Institute of Physics, 2002. - P. 112.

8. А2004Р1. Pavlov, S. G. Nonequilibrium electron distribution in terahertz intracentre silicon lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, E. E. Orlova, R. Kh. Zhukavin and V. N. Shastin // Semicond. Sci. Technol. 2004. - Vol. 19, No. 4. - S465-S468.

9. A2005H3. Hiibers, H.-W. Spectroscopy of excited states in p-type germanium with coherent terahertz synchrotron radiation / H.-W. Hubers, S. G. Pavlov, K. Holldack, P. Kuske, U.

10. A2005Zh. Zhukavin, R. Kh. D" centers in intracenter Si:P lasers / R. Kh. Zhukavin, S. G. Pavlov, K. A. Kovalevsky, H.-W. Hubers, H. Riemann, and V. N. Shastin // J. Appl. Phys. -2005.-Vol. 97, Issue 11.-P. 113708.

11. A2006P2. Pavlov, S. G. Frequency tunability of the terahertz silicon laser by a magnetic field / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, M. F. Kimmitt, H. Riemann, and V. N. Shastin // Appl. Phys. Lett. 2006. - Vol. 89, Issue 2. - P. 021108.

12. A2006P6. Pavlov, S. G. Silicon Stokes terahertz laser / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, J. N.

13. Hovenier, T. O. Klaassen, D. A. Carder, P. J. Phillips, B. Redlich, H. Riemann, R. Kh.

14. Zhukavin and V. N. Shastin // Physics of Semiconductors: Proc. of the 28th Int. Conf. on the

15. Physics of Semiconductors, Vienna, Austria, 24-28 July, 2006. Melville, New York:

16. American Institute of Physics, 2007. AIP Conf. Proc. Vol. 893. - P. 1445-1446.

17. A2006P7. Pavlov, S. G. Stress-controlled phonon-impurity resonant interactions in terahertzsilicon lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hubers, H. Riemann, N. V. Abrosimov, N. A. Bekin,tli

18. R. Kh. Zhukavin, and V. N. Shastin // The 12in Int. Conf. on High Pressure Semiconductor

19. Physics: Program and Abstracts, CosmoCaixa Museum, Barcelona, Spain, 31 July 3 Aug. 2006. - Abstract ID Mo-Pl-17.

20. А2007Р1. Pavlov, S. G. Intracenter Raman silicon lasers // Laser Physics. 2007. Vol. 17, No. 8.-P. 1037-1040.

21. Conf. on Terahertz Electronics, City Hall, Cardiff, Wales, UK, 2-9 Sept. 2007. -IEEE Catalog No 07EX1863. P. 142-143.

22. A2008P8. Pavlov, S. G. Relaxation of upper laser levels in terahertz silicon lasers / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, R. Kh. Zhukavin, P. J. Phillips, D. A. Carder, J. N. Hovenier, T. O.

23. A2009B1. Bekin N. A. Quantum cascade laser design based on impurity-band transitions of donors in Si/GeSi(l 11) heterostructures / N. A. Bekin and S. G. Pavlov // Physica B. 2009. - Vol. 404, Issues 23-24. - P. 4716-4718.