Обратимое пороговое просветление арсенида галлия под действием пикосекундного импульса света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

#Л 12 9,1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

БРОНЕВОЙ ИГОРЬ ЛЕОНИДОВИЧ

ОБРАТИМОЕ ПОРОГОВОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПИКОСЕКУВДНОГО ИМПУЛЬСА СВЕТА

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Э. А. Маныкин;

- доктор физико-математических наук, профессор Д. Н. Мирлин;

- член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор В. Б. Тимофеев.

Ведущая организация - Институт полупроводников АН Украины.

Защита диссертации состоится " " ^JU-^'i-d'cU г 1993 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г.Москва, ул. Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан " //" /Л 199-¿г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 002. 74.01 .

доктор физико-математических наук ( Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование сверхбыстрых процессов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах является в настоящее время одним из актуальных направлений в физике полупроводников. При этом фундаментальные исследования в этой области в значительной степени стимулированы потребностями развития сверхбыстродействующей оптоэлектроники. Обнаружение и исследование физических процессов в полупроводниках, протекающйх за пико- и фемтосекундные времена, могли бы способствовать созданию элементной базы оптического компьютера С1], систем для тестирования быстродействия отдельных элементов полупроводниковой электроники [ 2*4 ], разработке новых типов полупроводниковых лазеров для генерации сверхкоротких импульсов [5] и т. д. В то же время развитие экспериментальных методик для. исследования сверхбыстрых процессов, основанное в первую очередь на пико- и фемтосекундной лазерной технике, открывает возможность для новых исследовательских подходов [6*8]. Так, например, стали доступны измерения, сочетающие в себе сверхвысокое разрешение во времени с высокой интенсивностью неразрушающих образец световых импульсов с широкой перестройкой по длинам волн. В частности, это явилось основой исследования сверхбыстрых нелинейных оптических процессов в полупроводниках. Одним из сформировавшихся при этом направлений стало исследование процессов, возникающих в прямозонном полупроводнике при облучении мощным пикосекундным импульсом света. Этому направлению исследований посвящена настоящая диссертация. В

ней суммированы результата исследований ряда новых обратимых пико-секундных нелинейных пороговых эффектов, обнаруженных в арсениде галлия.

Цель работы. Диссертация посвящена исследованию изменений оптической прозрачности тонких эпитаксиальных слоев баАя при облучении мощным импульсом света пикосекундной длительности и с энергией фотона близкой к ширине запрещенной зоны Е^

невозбуждейного образца. В этих условиях фотовозбужденные носители рождаются холодными и можно было бы ожидать, что поглощение возбуждающего света будет продолжаться до тех пор, пока не выравняются заселенности верхнего и нижнего резонансных уровней Спока не установится состояние насыщения). Соответственно просветление должно монотонно возрастать со временем, достигая наибольшего значения к концу возбуждающего импульса, а затем медленно спадать по мере рекомбинации фотовозбужденных носителей.

Однако в наших экспериментах был обнаружен существенно иной характер просветления. Если энергия возбуждающего импульса превышала некоторое порогозое значение, просзетление зо время возбуждения сначала росло, а затем спадало за пикосекундные времена. Рост и спад просветления происходили с некоторым запаздыванием по отношению к росту и спаду интенсивности возбуждающего импульса. Через время порядка 10 пс после окончания импульса возбуждения наблюдалось остаточное просветление. Весь спектр этого остаточного просветления, простирающийся от 1,4 до 2 эБ имел универсальный вид, не зависящий ни от энергии импульса, ни от энергии возбуждающих фотонов. Затем просветление медленно спадало ,на временах порядка

времени спонтанной рекомбинации.

Э^и эксперименты стимулировали дальнейшие исследования, целью которых было выяснение физического механизма обнаруженных явлений. Описание и результаты этих исследований составляют содержание настоящей диссертации.

Научная новизна. Описываемые в диссертации эксперименты были первыми работами, в которых:

- было обнаружено обратимое пороговое просветление арсенида галлия

при облучении пикосекундными импульсами света с энергией фотона

Ьсо , близкой к ширине запрещенной зоны £ ; ех §

- обнаружено, что обратимое просветление сопровождается аномально быстрым излучением из образца; исследованы свойства этого излучения;

- обнаружено, что прссзетление, наблюдаемое через ~ 10 пс после окончания возбуждающего импульса, не зависит ни от энергии фотона Ьи возбуждающего света, ни от энергии импульса , если она превышает пороговое значение; дано объяснение универсальному виду спектра остаточного просветления;

- показано, что обратимый вклад в просветление при Ьш^ £ связан с обратимым разогревом носителей заряда и соответствующим увеличением их концентрации; исследован механизм разогрева;

- обнаружена и объяснена аномальная ступенчатая зависимость обратимого просветления от энергии кванта возбуждающего света;

- исследовано влияние предварительного просветления на обратимее изменение прозрачности.

- б -

Практическая ценность. Обнаруженные в наших исследованиях обратимые нелинейные пороговые эффекты могут быть положены в основу создания новых, совместимых с интегральной оптической технологией устройств пикосекундной оптоэлектроники. К их числу можно отнести оптически управляемые модуляторы прозрачности и фотопроводимости, пространственно-временные корреляторы и т. п.

Апробация работа. Результаты исследований докладывались на XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников С Киев, 1990 г.), V и VII Международных симпозиумах по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс, 1987 г. и Байройт, 1991 г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.), XV Конгрессе Международной комисии по оптике (Гармиш-Пар-тенкирхен, 1990 г.) , на научных семинарах Херриот-Уаттского университета и университета г. Сент-Эндрюс С оба Великобритания), Белл -лаборатории (Мюррей Хилл, (Ж), на семинаре ИРЭ РАН "Электроника твердого тела" и семинаре при Научном совете РАН по программе "Фундаментальные исследования по созданию оптической сверхвысокопроизводительной машины".

Публикации. По материалам*диссертации опубликовано 12 работ в журналах и в материалах конференций и симпозиумов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 7 глав и Заключения, содержит 164 страницы, включая 62 рисунка и библиографию из 72 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность работы. Кратко описывается содержание диссертации. Приводится краткий обзор предшествовавших теоретических [9*14] и экспериментальных исследований [15,16] эволюции неразновесной электронно-дырочной плазмы при резонансном межзонном возбуждении прямозонного полупроводника мощным сверхкоротким импульсом света.

В первой главе описывается лазерный пикосекундный автоматизированный комплекс, представляющий собой модернизированную модель пикосекундного спектрофотометра, описанного в работе [17]. Комплекс имеет три канала, по которым одновременно или с регулируемой задержкой распространяются три световых импульса длительностью 25г40 пс. С В дальнейшем длительность импз'льсов была сокращена до 11 пс. 3 Эти импульсы получают от одновременно накачиваемых трех источников, выбираемых из следующих: двух параметрических генераторов света на ЫЫЬОд с перестройкой длины волны от 0,66 до 2,7 мкм каждого независимо, параметрического генератора света на КОР с перестройкой длины волны от 0,78 до 1,67 мкм и генератора светового континуума в области длин волн 0,38*1,3 мкм. В зависимости от условий и целей опыта на образец фокусировали один или два мощных возбуждающих луча и на два - три порядка слабее - зондирующий. По измеренному на выходе зондирующего канала интегральному сигналу фотоприемника можно было регистрировать кинетические, динамические, спектральные, дисперсионные зависимости прозрачности образца от

возбуждающего облучения, а также аналогичные зависимости излучения из образца.

Вторая глава посвящена описанию экспериментов [18], в которых

было обнаружено обратимое пикосекундное просветление арсенида

галлия. В эксперименте изучалось изменение прозрачности тонких

эпитаксиальных слоев GaAs при облучениии мощным возбуждающим

импульсом света длительностью ~ 30 пс с энергией фотона, слегка

превышающей ширину запрещенной зоны. Концентрация доноров в GaAs ~ 15 -3

3-10 см при степени компенсации ~ 60 При относительно небольших энергиях возбуждающего импульса У просветление, в согласии с уже установившимися представлениями о механизме просветления [191, возрастало в течение возбуждающего импульса, а затем медленно спадало с постоянной времени > 500 пс ~ т^ - времени спонтанной рекомбинации. Однако в области энергий возбуждающего импульса V , превышающих некоторое пороговое значение, прозрачность SX

образца возрастала и спадала почти синхронно с изменением интенсивности возбуждающего света (рис. 15. В этих случаях после импульса возбуждения Сна временах, гораздо меньших т } наблюдалось некоторое остаточное просветление. Величина остаточного просветления не зави-сила от энергии V возбуждающего импульса, тогда как дополнительный обратимо изменяющийся вклад в просветление возрастал с увеличением энергии У . r ех

Подобный характер просветления наблюдался в широком диапазоне длин волн зондирующего излучения. При этом спектр остаточного прос-, ветления не зависил от энергии У возбуждающего импульса. Дополни-

Рис. 1 Изменение прозрачности со эременем т^ задержки между возбуждающим С ех) и зондирующим С р) импульсами при Ьш =1,437 эЗ и

©X

Ь« =1,55 эВ: V = 0. 072 отн. ед. - А, ¥ = 0.52 отн. ед. - +, V =0.72 р ех ех ех

отн. ед. - о. 71 и Г^ - прозрачность образца при наличии и отсутстзии возбуждения, соответственно. Сплошной линией показана кросс-корреляционная функция ¡ЗС т .5.

тельный же вклад в спектр прозрачности возрастал с увеличением V

Полученные результаты потребовали дальнейших исследований, чтобы решить возникшие вопросы:

первый - чем определяется состояние электронно-дырочной плазмы, отвечающее за остаточное просветление;

.второй - каков механизм обратимого просветления ? .

Третья глава посвящена описанным в [18,20,213 исследованиям остаточного просветления. Было сделано естественное предположение, что состояние носителей после импульса описывается распределением Ферми, причем температура носителей Т^ совпадает с температурой решетки Тт. Используя условие квазинейтральности п( Т , р ) = р( Т, , к ) Ъ е е п л

и насыщения ¡и ~ и = Ъш С р и р - квазиуровни Ферми электроноз е п ех е п

и дырок) , был выполнен расчет спектра остаточного просветления, измеренного в [183 при Ьш ъ-Е . Расчетный и измеренный спектры хо-

ех .ц

рошо согласовались между собой . [203. В дальнейших опытах [213 приблизительно обратимое изменение прозрачности наблюдалось и при

существенно превышающих £ . При этом оказалось, что по окончании

В

возбуждения просветление образца не зависило не только от энергии

возбуждающего импульса V , но и от энергии возбуждающих фотонов

©X

(рис.2). Такой результат противоречил ранее принятому предположению, что состояние носителей после импульса является состоянием насыщения. Для объяснения независимости остаточного просветления от

Ьш были использованы следующие соображения. При выполнении уело-6Х

вия насыщения для фотонов с Е^ < Ы < Ьш^ имеется инверсия засе-

О 0.4 Н

Н

сл 0.2

х

Л •

>*д

ЛвЛ А

л

хл»х! А _I_

1.5

1.6

1.7

эВ

1.8

1.9

Рис. 2.Спектр остаточного просветления при 80 пс: = 1,67 эВ

- х. Кш = 1,52 эБ - Д, Ьи> = 1,44 эВ - о. ех ех

ленностей. Можно предположить, что в этих условиях возникает суперлюминесценция, которая достаточно быстро сбрасызает избыточную концентрацию, чтобы после импульса возбуждения установилось состояние с максимальной концентрацией, при которой еще отсутствует инверсия заселенностей. В этом состоянии соотношение между квазиурознями Ферми имеет вид: ¡и^ - = Такое состояние можно назвать пороговым. Оно является универсальным - не зависящим ни от энергии фотона возбуждающего импульса ни от энергии импульса V .

Заметим, что экспериментальные результаты при Ьш 5= Е естественно

ех §

не давали возможности выбора между пороговым условием и насыщением прозрачности, как отмечалось еще в [20]. Результаты расчетов спектра остаточного просветления, выполненных в предположении, что состояние после импульса является пороговым и = Гт = 2Э5 К, как оказалось, достаточно хорошо описывают экспериментальные результаты. Это позволило заключить, что универсальный спектр остаточного просветления отражает пороговое состояние плазмы и, далее. что основным фактором, определяющим состояние носителей после импульса, следует считать быстрый сброс избыточной концентрации носителей за счет сверхлюминесценции.

Четвертая глава посвящена исследовавшейся в [21,22] рекомбина-ционной сверхлюминесценции арсенида галлия. Теоретический анализ экспериментального спектра просветления, возникавшего при облучении

образца с энергией фотона Ьш = 1,52 эВ С ширина запрещенной зоны

ех

невозбужденного образца Е° = 1,424 эВ), показал, что во время дейс-

6

твия импульса существует спектральная область усиления света с

шириной - 38 мэВ. Оценка соответствующего усиления спонтанного излучения показывает, что рекомбинационная суперлюминесценция действительно может развиваться на пикосекундных временах, что должно существенно влиять на формирование электронно-дырочной плазмы. Полученнная при обработке экспериментальных спектров близость величин ¡u^ - и также указывает, что рекомбинационная сверх-лвминесценция ограничивает концентрацию носителей уже во время импульса возбуждения.

Аномально быстрое излучение действительно было обнаружено в нашем эксперименте [22] и в несколько иных условиях Hulin et al. [23J, а позднее Fox et ai. £24-1. Спектр этого излучения из образца соответствует энергии фотонов hu^ < и имеет максимум, который растет и смещается в длинноволновую область (как и длинноволновая граница спектра) при увеличении энергии возбуждающего импульса У . Излучение имело тот же порог появления по энергии , что и обра-

wX

тимое просветление.

Хотя прямых измерений зависимости излучения из образца от времени не проводилось, но есть основания утверждать, что излучение появляется во время импульса возбуждения. Действительно, спектр излучения и энергия излучения для фиксированного значения fc<i>s зависят от энергии возбуждающего импульса У , тогда как состояние электронно-дырочной плазмы после импульса от не зависят.

Подтверждением того факта, что излучение из образца возникает во время импульса возбуждения, явилась наблюдавшаяся в эксперименте

[223 корреляция излучения с зависимостью возбуждения от времени в пикосекундном диапазоне С рис.3). Аналогичная корреляция, но для многослойных квантовых структур и при низких температурах, наблюдалась позднее Дж. Райаном с сотрудниками С Оксфордский университет).

Пятая глава посвящена описанному в [20,25] исследованию влияния внутризонного поглощения света на обратимое просветление арсе-нида галлия. Это исследование позволило в значительной мере ответить на вопрос о механизме дополнительного обратимого вклада в просветление в течение импульса.

Теоретическая обработка спектров обратимого просветления при

Ьш * £ показала, что обратимый вклад в просветление происходит ех §

одновременно с обратимым разогревом электронно-дырочной плазмы и обратимым же увеличением концентрации носителей. В то же время в условиях эксперимента фотовозбужденные носители рождаются холодными. Было выдвинуто предположение, что разогрев плазмы обусловлен в значительной мере внутризонным поглощением возбуждающего света. Внутризонньш разогрев может быть существенным в наших условиях благодаря тому, что темп остывания электронно-дырочной плазмы при дос-

^ 18 —3

тигнутых концентрациях п > 10 см значительно понижен Г 26]. Рассчитанная в этом предположении в работе Кумекова и Переля [26] зависимость температуры плазмы от энергии импульса возбуждения не противоречит значениям Т^, полученным из обработки экспериментальных спектров.

При анализе экспериментальных данных [20,26] было отмечено, что в согласии с предложенной концепцией, изменение дополнительного вклада в просветление приблизительно обратимо следовало за измене-

И 0£

ав

а* 01

»""о9

ф ~ " о о О,

ее о о,

°о00 ¡»во

х " о К ж в о м

* V -

^ * « "

■ к

*Я

X» „**

Л

-I_I_I_

-100

-Л )

-I—I—!_1_I_I

100 Та,пс

Рис.3. Зависимость энергии излучения с Ьы = 1,395 эВ из образца,

возбуждаемого двумя импульсами с Ьи = 1,494 и 1,483 эВ, от

ех

задержки между возбуждающими импульсами: I/ ^ =0,21 - х, = 0,54

- о СУ . - энергия излучения из образца от каждого импульса э1

возбуждения по отдельности). Сплошная линия - функция вС т,).

нием интенсивности накачки с запаздыванием ~ 10 пс, что согласуется с проделанной оценкой времени релаксации плазмы.

Роль внутриэонного разогрева была продемонстрирована в специально проделанном эксперименте 125]. Наряду с возбуждающим импульсом образец одновременно облучали импульсом света с энергией кванта

меньшей Е (греющим импульсом). Приложение греющего импульса В

приводило к возрастанию обратимого просветления. Обработка экспериментальных: спектров показала, что приложение греющего импульса действительно создавало дополнительный разогрев плазмы. Было показано [20,27], что изменение прозрачности при разогреве связано не столько с изменением температуры носителей самой по себе, сколько с соответствующим увеличением их концентрации, которое обеспечивает

выполнение условия Е < ^ ~ ¡л < Ы .

© л . ех

В целом результаты этой,главы позволяют заключить, что наблюдаемое в опытах обратимое просветление действительно обусловлено почти обратимым разогревом электронно-дырочной плазмы.

I шестой главе описываются экспериментальные исследования [28], в которых была обнаружена аномальная зависимость обратимого просветления от энергии фотона Ьш^ возбуждающего импульса света. При этом просветление измерялось при фиксированной энергии кванта зондирующего импульса, и Ью^ > Ьы^. Длительность импульсов в этих опытах бьша ~ 11 пс. Результаты измерений представлены на рис. 4. Каждая кривая на рис. 4 получена измерением при фиксированной энергии импульса V , для различных кривых энергии отличались.

///

Рис.4. Изменение прозрачности СаАз с энергией кванта Ьи возбуждающего импульса при Ью =1,558 эВ. Обозначения о, х, А, п относятся к различным значениям У при т^=7 пс. Сплошные кривые приведены только для наглядности.

Сравнение этих кривых позволяет выявить неизвестную ранее особенность: по мере увеличения степени просветления на кривых все

отчетливей проявлялось плато в области Ки близких к £ . Однако

ех 2

при этом плато появлялось только тогда, когда начинало наблюдаться обратимое увеличение прозрачности во время импульса возбуждения.

Для сравнения были проведены измерения зависимости просветления от времени и от энергии V при Ьш в области плато и в более г г ех ех

коротковолновой области. Зависимости имели тот же характер, что был обнаружен ранее в [18] для обратимого просветления. Отличие заключалось только в величине обратимого вклада в просветление. Этот вклад тем больше, чем больше энергия возбуждающего фотона.

Было предложено следующее объяснение обнаруженным зависимостям. При энергии возбуждающего фотона Ьш^ близкой к основным механизмом разогрева является внутризонный разогрев, величина которого в области Ьш^ ~ почти не зависит от энергии фотона [29,303. Этим можно объяснить плато на зависимостях просветления от

Ьш . ех

Причиной следующего после плато роста просветления с Ьсо^ может быть включение дополнительного механизма разогрева, связанного с тем, что в результате суперлюминесценции носители погибают при меньшей энергии, чем рождаются. При этом каждая электронно-дырочная пара, рождаясь и погибая, оставляет в плазме энергию, приблизительно равную Ьи> - Е . Это дает возможность дополнительного ех ^

разогрева плазмы даже в том случае, если инжектируемые носители являются "холодными".

В соответствии с выдвинутыми предположениями в [28] был проведен расчет зависимости просветления от hw , исходя из упрощенной

6Х

модели, которая, как оказалось, отражает основные качественные особенности этой зависимости. При этом, однако, в использованной при расчете модели плато на расчетных кривых менее выражено, чем на экспериментальных и последующий рост менее крутой. Обсуждаются возможные причины этих расхождений. Отметим, что рассчитанная з этой же модели [27] зависимость просветления от энергии возбуждап-

щего импульса W имеет тот же квазилинейный характер, что и наблю-6Х

давшиеся в [18 ,28] экспериментальные кривые.

Седьмая глава посвящена исследованию влияния предварительного просветления образца на обратимое изменение прозрачности [2 71. Предварительное просветление создавалось вспомогательным импульсом

с энергией фотона hw = 1,47 эВ > Е , опережавшим возбуждающий им-

&

пульс на ~ 80 пс. Длительность возбуждающего, зондирующего и вспомогательного импульсов была ~ 11 пс. Результаты экспериментов позволили сформулировать два вывода. Во-первых, если энергии возбуждающего импульса недостаточно для создания обратимого просветления, то при наличии предварительного импульса обратимое просветление возникает. Это связано с тем, что предварительный импульс создает электронно-дырочную плазму в пороговом состоянии, и поглощаемая энергия возбуждающего импульса целиком идет на создание обратимого вклада в просветление. Во-вторых, если энергии возбуждающего импульса уже достаточно для создания обратимого просветления, то наличие предварительного импульса практически не сказывается на

величине обратимого вклада в просветление. Это показывает, что величина просветления в области обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец. Такой результат согласуется с предположением, что при длительностях используемых возбуждающих импульсов достигается приблизительно квазистационарное состояние.

ВЫВОДЫ

Перечислим новые физические результата, полученные в диссертационной работе.

1. При возбуждении арсенида галлия достаточно мощным пикосекунднам импульсом света с энергией фотона Ьш , близкой к ширине запрещен-

©X

ной зоны Е , обнаружено обратимое просветление образца в пикосекун-дном диапазоне времен. Обратимый вклад в просветление появляется, если энергия возбуждающего импульса превышает некоторое пороговое значение.

2. Обнаружено, что обрати мое просветление сопровождается излучением из образца. Максимум спектра этого излучения лежит при энергиях фотонов, несколько меньших ширины запрещенной зоны невозбужденного образца. Излучение коррелировало с зависимостью интенсивности возбуждающего излучения от времени в пикосекунднсм диапазоне. Зто излучение было интерпретировано как рекомбинационная суперлюминесценция.

3. После окончания возбуждающего импульса, на временах, гораздо

меньших времени т^ спонтанной рекомбинации носителей, устанавливается существенное остаточное просветление. Обнаружено, что остаточное просветление не зависит ни от энергии фотона Ъи возбуждающего света, ни от энергии импульса возбуждения М , если она превышает

5Х

определенное пороговое значение. Спектр остаточного просветления хорошо описывается теоретически в предположении, что, благодаря рекомбинационной суперлюминесценции, после возбуждающего импульса устанавливается "универсальное" состояние электронно-дырочной плазмы, характеризуемое только температурой решетки и квазиуровнями

Ферми электронов и дырок, удовлетворяющих условиям п=р и у =£ •

е п д

Такое состояние, как и соответствующий спектр просветления, можно назвать пороговым.

4. На основе теоретического анализа полученных экспериментальных данных показано, что обратимый вклад в просветление при Ьи^ £ Е^ связан с почти обратимым разогревом носителей заряда (которые рождаются "холодными") и соответствующим увеличением их концентрации. Изменение концентрации при этом обеспечивает требуемое выполнение условия. Е^^-р^Ки^. Экспериментально доказано, что разогрев обусловлен внутризонным поглощением возбуждающего света, а также тем, что носители гибнут в результате сверхлюминесценции при меньших энергиях, чем рождаются.

5. На зависимости обратимого просветления от при увеличении Ьи^ > Е^ обнаружено плато, а затем резкий рост просветления. Область плато лежит в спектральном диапазоне, в котором наблюдается

суперлюминесценция. Предложено обьяснение этой аномальной зависимости, основанное на различии механизмов разогрева носителей в

разных областях Ьи . - ех

б. Обнаружено, что величина просветления в области значительных обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец. Пороговое же значение энергии возбуждаюфго импульса снижается при создании предварительного просветления и стремится к нулю, когда спектр предварительного просветления приближается к пороговому.

Реально предполагать, что обнаруженные нами в опытах с БаАз эффекты, вообще, характерны для прямозонных полупроводников. Это подтверждают опыты [243 со сплавом выполненные

после наших экспериментов с ОеЛб.

Представленные в диссертации исследования, помимо обнаружения новых нелинейных эффектов, указывают на необходимость дополнения теоретической модели, использовавшейся до наших опытов при рассмотрении нелинейных оптических процессов в прямозонноы полупроводнике, возбуждаемом импульсом света с энергией фотона Ьш > Е и дли-

ех §

тельностыо, превышающей время термализации носителей.

Следует, во-первых, принимать в расчет, что при достижении определенной концентрации носителей становится существенным С благодаря замедлению темпа остывания плазмьО их разогрев из-за внутри-зонного поглощения света.

Во-вторых, следует учитывать, что рекоыбинационная сверхлюминесценция может разгораться в полупроводнике за пикосекундные вре-

мена, если инверсия заселенностей создана котя бы в небольшом

-2

интервале энергий фотонов ~ 10 эВ. При этом длина пути, на которой происходит усиление света, может быть и субмиллиметрозой. Суперлюминесценция (опять же благодаря замедлению темпа остывания плазмьО обуславливает дополнительный разогрев носителей. При расчете этого разогрева существенно учитывать уменьшение Е из-за куло-новского взаимодействия фотовозбужденных носителей.

В-третьих, состояние плазмы под действием мощного облучения характеризуется условием Верхнюю границу в этом

неравенстве определяет условие насыщения прозрачности, у, -р = Ьоз ,

& п &х

которое в теории учитывалось и прежде. Вводимая здесь нижняя граница неравенства обусловлена тем, что пикосекундная рекомбинационная сверхлюминесценция стремится вернуть плазму к пороговому состоянию.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Броневой И.Л., Гадонас Р. А., Красаускас В. В. , Лифшиц Т. М. , Пискарскас А. С. , Синицын М. А. , Явич Б. С. Обратимое пикосекундное изменение прозрачности арсенида галлия при межзонном поглощении мощных импульсов света. - Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 42, в. 20, с. 322-325.

2. Броневой И. Л., Кумеков С. Е., Перель В.И. Механизм обратимого пикосекундного просветления прямозонного полупроводника при межзонном поглощении мощных импульсов света. - Письма в ЖЭТФ, 1986, т. 43, в. 8, с. 368-370.

3. Броневой И. Л. , Гадонас Р. , Кумеков С. Е. , Перель В. И. , Пискарскас

A. , Пялакаускас А. Изменение межзонного поглощения GaAs под действием пикосекундных импульсов света. - Пятый Международный симпозиум по сверхбыстрым процессам в спектроскопии. Тезисы докладов. Вильнюс, 1987, с. 295-296.

4. Агеева Н. Н., Броневой И. Л. , Дядюшкин Е. Г., Явич Б. С. Аномальное излучение арсенида галлия при межзонном поглощении мощных пикосекундных импульсов света. - Письма в ЖЭТФ, 1988, т. 48, в. 5, с. 252-255.'

5. Ageeva N.N. , Bronevoi I.L. , Dyadyushkin E.G., Mironov V.A. , KumekovS.E. , Perel' V.I. Superluminescence and brightening of gallium arsenide under interband absorption of picosecond light pulses. - Solid State Соттчп. 1989 , 72, No. 7, pp. 625-629.

6. Ageeva N.N. , Borisov V. B., Bronevoi I.L. , Mironov V. A. , Kumekov S. E. , Perel' V. I. , Yavich B. S. Influence of intraband absorption on reversible bleaching of gallium arsenide under picosecond light pulse excitation. - Solid State Comrnvn. 1990, 75, No. 3, pp. 167-170.

7. Агеева H. H. , Броневой И. Л. , Миронов В. А. , Кумеков С. Е., Перель

B. И. , Явич Б. С. , Гадонас Р. Обратимое просветление арсенида галлия под действием пикосекундных импульсов света. - XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Тезисы докладов. Киев, 1990, ч. 2, с. 3.

8. Агеева Н. Н., Броневой И. Л., Гадонас Р., Кумеков С. Е., Миронов В. А., Перель В. И. Обратимое просветление арсенида галлия под действием пикосекундных импульсов света. - XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике. Тезисы докладов.

JfeHHHrpafl, 199Í, M. II, c. 41.

9. Ageeva N. N., Bronevoi I. L. ,Kumekov S. E., Líironov V. A. Reversible gallium arsenide bleaching under the action of picosecond light pulses. - Ultrafast Processes in Spectroscopy 1991. Proc. of the Seventh Int. Simp, on Ultrafast Processes in Spectroscopy, Bayreuth, 1991, Inst. Fhys. Conf. Ser. No. 126. - Bristol and Philadelphia: IOP Publishing Ltd., 1992, pp. 343-344.

10. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Gadonas R., Kumekov S. E. Mironov V. A. , Perel" V.I., Yavich B.S. Reversible gallium arsenide brightening under the action of picosecond light pulses. Lasers and ultrafast processes. Proceedings of 5-th International School on Laser Application. - Vilnius: Vilnius University Press, Vol. 4. 1931, pp. 116-123.

11. Ageeva N. N. , Bronevoi I.L. , Kironov V. A., Kumekov S.E. , Perel* V. I. An abnormal dependence of the reversible threshold bleaching in GaAs on ouanturs er.srgv of picosecond excitation light pulse. -Solid State Cozvzun. 1992, SI, Ho. 12, pp. 969-975.

l£. Ageeva N. N.. Bronevoi I.L., Mironov V. A. , Kumskov S.E. , Perei* V.I. The Reversible Threshold Bleaching in Galliua Arsenide Cristals under Irradiation by a Picosecond Light Pulse Having Photon Energy Close to Band Gap. - Mode looked lasers and ultrafast phenossna, Grigcry B. Altshuler, Editor, Proc. SPI5134!, pp. 73-S5 CI992).

- 26 -

ЛИТЕРАТУРА

1. Эйброхем А., Ситон К. Т., Смит С. Д. Оптический компьютер. - В кн.: Современный компьютер. - М.: Мир, 1986, с. 187-201.

2. Mourou G. А. , Meyer К.Е. Subpicosecond electro-optic sampling using complanar strip transmission lines. - Appl. Phys. Lett. 1984, 45, No. 5, pp. 492-494.

3. Kerstan F. , Schubert M. Gap transit-time effects in fast optoelectronic semiconductor switching devices. - Opt. and Quant. Electron. 1984, 16, pp. 474-486.

4. Hammond R. B. , Paulter N.G., Wagner R. S. Integrated picosecond photoconductors produced on bulk,Si substrates. - Appl. Phys. Lett. 1984, 45, No. 4, pp. 404-403.

5. Физика полупроводниковых лазеров. Под ред. X. Такумы. - М.: Мир, 1989, 310 с.

6. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро. - М.: Мир, 1981, 479 с.

7. Херман Й. , Вильгельма Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. - М.: Мир, 1986, 386 с.

8. Ахманов С. А. , Вислоух В.А., Чиркин А. С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. - М.: Наука, 1988, 310 с.

9. Басов Н. Г. , Крохин 0. Н. Преобразование мощного монохроматического излучения в электрический ток. - ФТТ, 1963, т. 5, с. 2384-2386.

10. Крохин 0. Н. Коэффициент усиления и эффект насыщения в полупроводниках при однородном возбуждении. - ФТТ, 1965, т. 7, в. 9, с. 2612-2619.

11. Глазыан Jl. И. О резонансном возбуждении мощным световым импульсом носителей в полупроводнике. - ЖЭТФ. 1981, т. 80, в. 1, с. 349-355.

12. Глазман Л И. Кинетика электронов и дырок в прямозонных полупроводниках при фотовозбуждении интенсивным импульсом. - ФТЛ, 1983, т. 17. а. 5, с. 790-795.

13. Галшкий В. М., Гореславский С. П. , Елесин В. Ф. Электрические и магнитные свойства полупроводника в поле сильной электромагнитной волны. - ЖЭТФ. 1969, т. 57, в. 1С 7), с. 207-217.

14. Кумеков С. Е., Перель В. И. Поведение свободных носителей заряда при межзонном поглощении мощных коротких импульсов света. - ФТЛ, 1384. т. 18, э. 5, с. 835-839.

15. Брюкнер Ф. , Васильев Я. Т.. Днепровский В. С., Кощуг Д. Г. , Силина Е. К. . Хаттаров 3. У. Самоиндуцированная прозрачность в полупроводнике. - ЖЭТФ. 1974. т. 67, в. 6С12). с. 2219-2226.

16. Goebei Е. 0. , Hilderbrand 0. Thermalization of the Electron-Hoie Plasma in GaAs. - Phys. Stat. Sol. С ti), 1978, 88, pp. 645-652.

17. Гадонас Р. , Данелюс Р., Пискарскас А. Абсорбционный спектрометр пикосекундного разрешения на базе параметрических генераторов света и микро-ЭВМ. - Квантовая электроника, 1981. т. 8, в. 3, с. 669-671.

18. Броневой И. Л., Гадонас Р.А., Красаускас В. В. , Лифшиц Т. М. , Пискарскас А. С., Синицын М. А., Явич Б. С. Обратимое пикосекундное изменение прозрачности арсенида галлия при ыежзонном поглощении ыошных импульсов света. - Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 42, в. 20, с. 322-325.

-S3 -

i 9. Гри-' ' ОЕСКИЙ В. П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. - Минск: Наука и техника. i9?5, 464 с.

20. Броневой И.Л., Кумеков С. Е. , Перель 3. И. Механизм обратимого пшосекундного просветления прямозонного полупроводника при межзок-ном поглощении мощных импульсов сзета. - Письма в 1ЭТФ, 1985, т. 43. в. 8, с. 368-370.

21. .Ageeva II.11. , Bronevoi I.L. , Dyadyushkin E. G. , Mironov V. A. . Kuœekov S.E.. Perel' V. I. Superlutiinescence and brightening of gallium arsenide under interband absorption of picosecond light pulses. - Solid State Сотшшп. 1S89, 72, Ко. 7, pp. 625-629,

22. Агвэбa H. H.. Броневой И. Л., Дядоткш Е. Г., Язич Б. С. Аномальное излучение арсенида галлия при «ежзоннси псглошехши ыоиных пикосекундных импульсов света. - Письма s ЖЗТФ, 1938, т, 48. в. 5, с. 252-255.

23. Kulin D. . Joffre M. , Migus A. , Oudar J. L. , Dubard J. , Alexandre F. Ultrafast recovery of absorption saturation in GaAs/AiGaAs multiple quantum wells. Journ. de Physiave 1987, t. 48, No. CS, pp. £57-270.

24. Fa:-: À. M. . Manning R, J, , Miller A. Picosecond relaxation mechanism ir» highly excited GalnAsP. - J. Appt. Phys. 1&8Э, 65, No. 11. p.p. 4287-4293.

23. Àgssva S. N. , Borisov V.B. , Bronsvoi I.L., Mironov V. A. , Kuœekov S. E. , Perel* У. I., Yavich 3,S. Influence of intraband absorption on reversible bleaching of gailiua arsenics under picosecond light pulse sxeitation. - Solid State Camaun. 1920, ?S, Ho. 3, pp. 157-170.

26. Кумеков С. Е. , Перель В. И. Энергетическая релаксация элек-трон-фононной системы полупроводника в стационарном и динамическом режимах. - ЖЭТФ, 1988, т. 94, в. 1, с. 346-356.

27. Ageeva N.N., Bronevoi I.L. , Mironov V.A. , Kumekov S.E., Perel' V.l. The Reversible Threshold Bleaching in Gallium Arsenide Cristals under Irradiation by a Picosecond Light Pulse Having Photon Energy Close to Band Gap. - Mode locked lasers and ultrafast phenomena, Grigory B. Altshuler, Editor, Proc. SPIE1841, pp. 73-85 С1992D.

28. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Mironov V.A. , Kumekov S.E. , Perel' V.l. An abnormal dependence of the reversible threshold bleaching in GaAs on quantum energy of picosecond excitation light pulse. -Solid State Commun. 1992, 81, No. 12, pp. 969-975.

23. Blakemore J. 5. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide. - J. Appl. Phys. 1932, 53, No. 10, pp. R123-R181.

30. Haga E. , Kimura H. Free - Carrier Infrared Absorption in III-V Semiconductors IV. Inter - Conduction Band Transitions. - Journal of the Physical Society of Japan 1954, 19, No. 9, pp. 1596-1605.

Подписано в печать 27.10.1992 г.

Формат 60x84/16. Объем 1д63 уел.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ РАН. ЗакЛоО.