Оптические явления полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, связанные с неравновесными и свободными носителями заряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ
|
Фирсов, Дмитрий Анатольевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.10
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РГБ ОД
3 С МАЙ 2(300
На правах рукописи
ФИРСОВ Дмитрий Анатольевич
ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ, СВЯЗАННЫЕ С НЕРАВНОВЕСНЫМИ СВОБОДНЫМИ НОСИТЕЛЯМИ ЗАРЯДА
01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург 2000 г.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.
Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор
Леонид Евгеньевич Воробьев
Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук, профессор,
чл.-корр. РАН Александр Александрович Андронов
доктор физико-математических наук, профессор, Мирон Соломонович Каган
доктор физико-математических наук, профессор Сергей Александрович Гуревич
Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный
университет
Защита состоится 15 июня 2000 года в часов на заседании специализированного Совета Д 063.38.02 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Автореферат разослан мая 2000 года.
Ученый секретарь специализированного Совета
кандидат технических наук К.Г.Уткин
ъъуэлМЛ-.о*
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию новых оптических явлений, связанных с внутризонными оптическими переходами свободных носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых квантово-размерных структурах в неравновесных условиях, в частности в условиях разогрева и дрейфа свободных носителей заряда электрическим полем, и их применению для создания новых оптоэлектронных приборов.
Актуальность темы диссертации. Исследование свойств систем, выведенных из состояния термодинамического равновесия, представляет значительный интерес. В этом случае могут быть изучены свойства системы, не проявляющиеся в равновесных или в близких к равновесным условиях. Газ свободных электронов в полупроводниках является очень удобным объектом для исследований в неравновесных условиях. Привести его в неравновесное состояние можно, например, прикладывая к полупроводнику сильное электрическое поле, которое в определенных условиях увеличивает среднюю энергию электронов, "разогревает" их. Кинетические свойства горячих электронов исследованы достаточно подробно [1], получено значительное количество информации о свойствах горячих электронов, параметрах зонной структуры, особенностях взаимодействия горячих электронов с решеткой. Разработан ряд новых приборов, работа которых связана с разогревом электронов, среди которых можно упомянуть диод Ганна, лавинно-пролетные и резонансно-туннельные диоды. Оптические свойства горячих электронов в объемных полупроводниках изучены заметно слабее. Между тем, оптические исследования часто оказываются более информативными по сравнению с исследованием кинетических свойств. Кроме того, оптические явления, возникающие благодаря разогреву и дрейфу носителей заряда или при других неравновесных условиях, интересны с физической точки зрения и могут быть использованы для создания новых приборов оптоэлектроники. С практической точки зрения малая инерционность явлений разогрева, определяемая обычно временем релаксации энергии (10"ш н- 10"и с) привлекает возможностью создания скоростных электрооптических приборов. Так, например, известен малоинерционный модулятор инфракрасного излучения, основанный на межподзонных переходах горячих дырок в германии. Обнаружение в 80-х годах стимулированного излучения при разогреве дырок в германии привело к активизации исследований оптических свойств горячих носителей заряда.
Физика полупроводников развивается в последние годы главным образом как физика полупроводниковых структур с пониженной размерностью. Большой интерес к оптическим исследованиям наноструктур вызывается как принципиально новыми физическими явлениями, которые можно наблюдать в квантово-размерных структурах, так и возможностью создания новых
оптоэлектронных приборов (фотодетекторов, модуляторов, квантовых генераторов). Оптические свойства наноструктур изучаются достаточно давно и интенсивно, однако к началу настоящего исследования было очень мало работ, посвященным изучению влияния греющего электрического поля на эти свойства. Опыт исследований оптики горячих электронов в объемных полупроводниках позволяет надеяться на получение интересных как с научной, так и с практической точки зрения результатов и при изучении оппгческих свойств горячих электронов в системах с пониженной размерностью.
Актуальной задачей полупроводниковой оптоэлекгроники является разработка новых источников излучения инфракрасного диапазона. Оптические исследования горячих носителей заряда открывают такую возможность. Одним из достаточно мощных и удобных источников дальнего инфракрасного (X = 70...210 мкм) излучения является лазер на горячих дырках в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях [2]. Большая ширина полосы излучения (Ал/л ~ 0.2) ограничивала возможности его практического использования. Это определяло актуальность дальнейших исследований, направленных на сужение полосы генерации и оптимизацию параметров такого лазера.
Разработка инжекционных лазеров среднего инфракрасного (СИК, Я = 4...20 мкм) диапазона, основанных на межзонных электронно-дырочных переходах, затруднена по причинам фундаментального характера. Основная из них состоит в увеличении интенсивности оже-рекомбинации с уменьшением ширины запрещенной зоны. В связи с этим в последние годы интенсивно исследуется возможность создания СИК лазеров, основанных на межподзонных (внутризонных) оптических переходах свободных электронов в квантовых ямах. К настоящему времени среди многочисленных вариантов межподзонных лазеров реализованы только два. Это униполярный квантовый каскадный лазер [3] основанный на идее, предложенной Р.Ф.Казариновым и Р.А.Сурисом и униполярный фонтанный лазер с межподзонной оптической накачкой [4]. К сожалению, изготовление каскадного лазера требует использования весьма сложной технологии, а необходимость мощной оптической накачки на длине волны, близкой к длине волны генерации, ограничивает возможность практического использования фонтанного лазера, и задача исследования эмиссии излучения из наноструктур и разработки новых типов лазеров на межподзонных переходах неравновесных электронов остается по-прежнему актуальной.
Эти факторы в значительной степени определили выбор темы настоящей работы.
Основные задачи работы можно разделить на пять групп: 1. Обнаружение и исследование новых электрооптических эффектов, связанных с разогревом и дрейфом свободных носителей заряда в объемных
полупроводниках (на примере Се и ТпБЬ);
• влияние виртуальных межзонных и межподзонных переходов электронов на показатель преломления полупроводника и его анизотропию в условиях разогрева и дрейфа электронов;
• увлечение света током дырок;
• межподзонное поглощение инфракрасного излучения теплыми дырками.
2. Исследование генерации стимулированного излучения лазера на межподзонных переходах горячих дырок в скрещенных электрическом и магнитном полях:
• расчет функций распределения горячих дырок по состояниям и коэффициента межлодзонного усиления света с помощью решения уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц;
• расчет поглощения света при внутри- и межподзонных непрямых переходах горячих дырок;
• определение предельной рабочей температуры лазера в конфигурациях приложенных полей Фойгта и Фарадея;
• экспериментальное исследование коэффициента усиления лазерной среды в конфигурациях Фойгта и Фарадея;
• получение узкополосного режима генерации с возможностью перестройки длины волны излучения лазера.
3. Демонстрация возможности практического применения узкополосного лазера на горячих дырках для исследования полупроводников и наноструктур:
• исследование циклотронного резонанса при разогреве электронов в 1п5Ь.
• исследование электрического пробоя мелкой примеси;
• изучение внутриподзонного поглощения излучения дальнего инфракрасного диапазона в квантовых ямах СаАз/АЮаАэ в равновесных условиях и при разогреве двумерных электронов.
4. Исследование новых электрооптических явлений в гетероструктурах с квантовыми ямами:
• модуляция поглощения и двулучепреломления при межподзонных переходах двумерных электронов в продольном электрическом поле в простых прямоугольных квантовых ямах с разным типом селективного легирования;
• модуляция поглощения и двулучепреломления в продольном электрическом поле в туннельно-связанных квантовых ямах;
• фотоионизация квантовых ям в сильном поперечном электрическом поле;
• внутриподзонное поглощение излучения в квантовых ямах при непрямых переходах горячих двумерных электронов с рассеянием на фононах, примесях и несовершенствах интерфейса.
5. Рассмотрение некоторых новых методов генерации излучения в полупроводниковых наноструктурах:
• спонтанная эмиссия излучения дальнего инфракрасного диапазона при непрямых внутризонных переходах горячих двумерных электронов;
• спонтанная эмиссия инфракрасного излучения из лазерных структур с квантовыми точками и квантовыми ямами при токовой накачке;
• исследование возможности создания лазеров на внутризонных (межуровневых и межподзонных) переходах носителей заряда в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами.
Научная новизна работы состоит в обнаружении новых электрооптических эффектов в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, разработке моделей, описывающих полученные результаты, и в экспериментальной проверке высказанных ранее теоретических предположений. В результате исследований получен значительный объем новых данных. В первую очередь необходимо отметить следующие результаты:
1. Подробно изучено поглощение при межподзонных переходах теплых дырок в германии, доказана неприменимость двухтемпературного ■приближения для функции распределения теплых дырок путем нахождения точного вида функции распределения;
2. Экспериментально обнаружены и исследованы новые электрооптические эффекты, связанные с разогревом и дрейфом дырок, проведен теоретический анализ вклада дырок в анизотропию тензора диэлектрической проницаемости;
3. Экспериментально обнаружено и детально изучено новое явление -влияние виртуальных межзонных переходов горячих электронов на анизотропию диэлектрической проницаемости в антимониде индия;
4. Экспериментально обнаружен и исследован эффект увлечения фотонов током дырок в германии;
5. Развита методика расчета коэффициентов усиления и поглощения длинноволнового поляризованного света и функций распределения горячих тяжелых и легких дырок по импульсам, основанная на решении системы уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях;
6. Впервые прямым методом получена величина коэффициента усиления света и определена предельная рабочая температура лазера на горячих дырках в германии для конфигураций полей Фойгта и Фарадея;
7. Обнаружены и исследованы электрооптические эффекты, связанные с межподзонными переходами разогретого двумерного электронного газа в квантово-размерных структурах различного типа: с простыми прямоугольными квантовыми ямами, легированными в области ямы и барьера; с туннельно-связанными квантовыми ямами.
8. Впервые экспериментально исследовано внутриподзонное поглощение и эмиссия излучения горячими электронами в квантовых ямах в продольном
электрическом поле, построена модель, позволяющая определить вклад основных механизмов рассеяния двумерных электронов в поглощение и эмиссию излучения;
9. Впервые экспериментально обнаружено спонтанное излучение среднего инфракрасного диапазона из структур с квантовыми точками и квантовыми ямами при токовой накачке;
10. Предложен ряд новых конструкций лазеров среднего инфракрасного диапазона на межуровневых и межподзонных переходах носителей заряда в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами.
Практическая ценность работы определяется тем, что в результате проведенного цикла экспериментальных исследований, расчетов и анализа полученных данных получена информация о параметрах распределений горячих носителей заряда в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах, деталях зонного спектра, механизмах рассеяния свободных носителей заряда. Изученные явления могут быть основой для разработки электрооптических приборов нового типа.
Разработан ряд новых методик:
• методика экспериментального анализа вещественной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, связанной со свободными носителями заряда в сильных электрических полях;
• методика измерения линейных по полю поправок для вкладов' в тензор диэлектрической проницаемости на основе интерферометра1 Маха-Цендера;
• методика селекции продольных мод в лазере терагерцового диапазона на горячих дырках в германии с использованием внутрирезонаторных интерферометров Фабри - Перо;
• методика определения параметров лазеров на горячих дырках в германии при различных температурах и в различных конфигурациях эксперимента;
• методика исследования электрооптических явлений на горячих электронах в полупроводниковых наноструктурах;
• методика исследования спектров спонтанного излучения среднего ИК диапазона в квантово-размерных структурах.
Разработаны новые электрооптические приборы на неравновесных носителях заряда:
• малоинерционный (т = 10'10 с) широкополосный (/= 103-И0Ш Гц) модулятор инфракрасного излучения с большой глубиной модуляции {М = 7 %) на теплых дырках;
• узкополосный лазер дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии с возможностью перестройки длины волны излучения;
• предложен ряд конструкций лазеров среднего инфракрасного диапазона на структурах с квантовыми ямами и квантовыми точками.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Экспериментально наблюдаемое изменение поглощения излучения в дырочном германии в слабых греющих электрических полях, связанное с межподзонными переходами дырок, может быть с достаточной точностью описано с помощью функции распределения (ФР) теплых дырок, найденной из кинетического уравнения Больцмана.
2. Экспериментально обнаруженное новое явление - возрастание индуцированной электрическим полем анизотропии диэлектрической проницаемости полупроводника на свободных носителях заряда вблизи края собственного поглощения может быть объяснено вкладом виртуальных переходов валентных электронов в показатель преломления.
3. Обнаруженное экспериментально изменение показателя преломления дырочного полупроводника в греющем электрическом поле связано с разогревом и дрейфом дырок и сложной структурой валентной зоны. Основной вклад в эффект дают виртуальные межподзонные переходы горячих дырок.
4. Экспериментально обнаружен эффект увлечения света током дырок (линейная по току добавка к показателю преломления дырочного полупроводника).
5. Расчеты, основанные на использовании уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц, качественно адекватно описывают основные характеристики горячих дырок и свойства инверсной среды в скрещенных электрическом и магнитном полях.
6. В лазерах на горячих дырках конфигурация полей Фойгта по сравнению с конфигурацией Фарадея является более предпочтительной по интенсивности излучения, интервалу рабочих температур и диапазону полей генерации.
7. Узкополосный лазер на горячих дырках в германии, пригодный для практических научных исследований полупроводников, может быть создан методами квантовой электроники терагерцового диапазона.
8. Значительное влияние на спектральное положение линии межподзонного поглощения в квантовых ямах селективно легированных гетероструктур оказывают эффекты пространственного заряда, возникающего при селективном легировании. Продольное электрическое поле, вызывая разогрев двумерных электронов, приводит к их переносу в реальном пространстве и смещению спектрального положения пика.
9. Изменение межподзонного поглощения в туннельно-связанных квантовых ямах специальной формы объясняется перераспределением электронов между подзонами размерного квантования и переносом электронов в реальном пространстве.
]0. Экспериментально наблюдаемое уменьшение поглощения излучения дальнего инфракрасного диапазона в квантовых ямах при Т— .4.2 К в продольном электрическом поле связано с внутриподзонными непрямыми переходами горячих электронов с преобладающим рассеянием на шероховатостях интерфейсов и ионизованных примесях.
11. Спонтанное излучение дальнего инфракрасного (терагерцового) диапазона в прямоугольных квантовых ямах в сильном продольном электрическом поле вызвано непрямыми внутриподзонными переходами горячих электронов.
12. Спонтанное излучение среднего инфракрасного диапазона из лазерных диодных структур с квантовыми точками связано с внутризонными межуровневыми переходами носителей заряда в квантовых точках.
13. Возможно создание инжекционного лазера среднего инфракрасного диапазона, основанного на межподзонных переходах электронов в квантовых ямах специальной формы при одновременной генерации излучения ближнего инфракрасного диапазона либо при резонансной оже-рекомбинации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях: VI Всесоюзный симпозиум "Полупроводники с узкой запрещенной зоной н полуметаллы" (Львов, 1983); V, VII Всесоюзные симпозиумы "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Вильнюс, 1983; Паланга, 1989); X Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Минск, 1985); II Всесоюзная школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами" (Саратов, 1988); XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); 16th International Conference on Infrared and Submillimeter Waves (Lausanne, 1991); 1991, 1995, 1997 International Semiconductor Research Symposium (Charlottesville, 1991, 1995, 1997); 1-4 Российские конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993; Зеленогорск, 1996; Москва, 1997; Новосибирск, 1999); 8!\ 9й International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Oxford, 1993; Chicago, 1995); Conferences on Laser and Electro-Optics (Anaheim, 1994, 1996); 2-7 Intern. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (St. Petersburg, 1994-1999); 7th, 9lh - 11lk International Conference on Superlattices, Microstructures and Microdevices (Canada, 1994; Liege, 1996; Lincoln, 1997; Hurgada, 1998); Conference on Laser and ElectroOptics CLEO/Pacific Rim'95 (Japan, 1995); 9th, 10lh Vilnius Symposium on Ultrafast Phenomena in Semiconductors (Vilnius, 1995, 1998); 23rd, 24lh International Conference on the Physics of Semiconductors (Berlin, 1996; Jerusalem, 1998); 23rd International Symposium on Compound Semiconductors (St. Petersburg, 1996); 15u\ 16lh IEEE International Semiconductor Laser Confer. (Haifa, 1996; Nara, 1998); European Conference on Lasers and Electro-Optics (Glasgow, 1998); 11 Intern. Confer, on Nonequilibrium Carrier
Dynamics in Semiconductors (Kyoto, 1999); 5lh International Conference on Intersubband Transitions in Quantum Wells (Bad Ischl, 1999); 13m International Conference on Low-Dimensional Structures and Devices (Antalya, 1999).
Публикации. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 119 научных работ в ведущих отечественных и международных журналах, а также в трудах конференций. Основное содержание отражено в 41 работе. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 244 страниц, включая 96 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 228 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы основные задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию влияния греющего электрического поля на вещественную и мнимую части диэлектрической проницаемости, связанной со свободными носителями заряда s*'(со, к) для объемных полупроводников. Греющим
электрическим полем в диссертации считается электрическое поле, которое недостаточно велико, чтобы вызвать межзонную ударную ионизацию и приводящее только к разогреву и дрейфу свободных носителей заряда. С целью облегчения интерпретации полученных результатов в качестве основных объектов исследования были выбраны полупроводники с хорошо изученными параметрами - германий и антимонид индия.
Первая часть главы посвящена исследованию поглощения инфракрасного излучения (>.= 10.6мкм) в германии разогретыми дырками с различными концентрациями в относительно слабых электрических полях (создающих "теплые" дырки). Излучение с такой длиной волны поглощается в p-Ge, в основном, благодаря переходам между подзонами тяжелых и легких дырок. Кинетические явления в полупроводниках в слабых электрических полях, когда влияние разогрева носителей заряда только начинает проявляться, изучены достаточно подробно (см., например, [1]). Поглощение инфракрасного излучения в p-Ge в сильных электрических полях также подробно исследовано, однако оптические свойства теплых дырок, имеющие, как будет показано ниже, свои особенности, изучены значительно слабее. В работе [5] изучалось межподзонное поглощение в дырочном германии в слабых греющих
электрических полях. В настоящей работе эти явления исследованы в более широком диапазоне электрических полей, удовлетворяющих условию слабого разогрева дырок, а также проводится детальный анализ полученных результатов на основе ФР, найденной из решения уравнения Больцмана.
Экспериментальные исследования изменения поглощения излучения дырочным германием в слабых греющих электрических полях проводились для широкого диапазона концентраций свободных дырок /V;, = 3-1014ч- 7-10ьсм"3, что позволило исследовать влияние междырочного рассеяния на модуляцию интенсивности излучения и функцию распределения теплых дырок в слабых электрических полях. Измерения проводились в электрических полях Н< 100 В/см. Квадратичная полевая зависимость изменения поглощения наблюдалась до полей 20+30 В/см, что позволяет назвать диапазон полей Е = 0...30 В/см областью теплых электронов.
С целью получения ФР, пригодной для объяснения эксперимента, проведено решение уравнения Больцмана в диффузионном приближении с учетом взаимодействия дырок с деформационными акустическими (114), оптическими (1)0) фононами, примесями (Г) и междырочного (Л-/г) взаимодействия. ФР представлялась первыми двумя членами в разложении по полиномам Лежандра. Уравнение решалось вариационным методом. Согласно результатам расчета, при большой концентрации дырок междырочное рассеяние в значительной степени максвеллизует ФР, по крайней мере, в пассивной области. При малых же значениях концентрации дырок (Лг/, < 10ьсм"3) вид ФР существенно отличается от максвелловского. Двухтемпературное приближение, хорошо описывающее ФР горячих дырок, как показывают наши расчеты, в общем случае неприменимо для теплых дырок.
Значения коэффициента поглощения света, полученные из эксперимента и определенные с помощью рассчитанной ФР, различаются. Лучшее соответствие может быть получено, если учесть межподзонное рассеяние легких и тяжелых дырок. Точно учесть этот механизм при решении кинетического уравнения сложно, поэтому мы ограничились качественным расчетом, предполагающим максвелловский вид ФР тяжелых и легких дырок и основанном на уравнениях баланса мощности и потока частиц между подзонами тяжелых и легких дырок.
Описывается малоинерционный (г ~ 1.61010 с) широкополосный {/'= 103-И01СГц) модулятор излучения С02-лазера на межподзонных переходах теплых дырок в германии, пригодный для практического применения.
Вторая часть главы посвящена исследованию влияния греющего электрического поля на показатель преломления полупроводника, связанный со свободными электронами. В первом параграфе приводятся известные теоретические результаты о влиянии виртуальных переходов валентных электронов на показатель преломления полупроводника и его анизотропию в
греющем электрическом поле. Во втором параграфе проводится расчет показателя преломления полупроводника на свободных электронах (на примере л-1пБЬ) в греющем электрическом поле с учетом виртуальных межзонных переходов с использованием трехзонной модели Кейна. Расчет основан на использовании соотношения Крамерса - Кронига, связывающего показатель преломления п и коэффициент поглощения а в широкой спектральной области:
Получены выражения для электронного показателя преломления, связанного как с внутризонными, так и с межзонными виртуальными переходами, в зависимости от электронной температуры и длины волны излучения , с использованием известного выражения для коэффициента межподзоного поглощения и максвелловской ФР горячих электронов, смещенной в пространстве скоростей. Приводится также расчет эффекта Керра на горячих электронах, т.е. степени анизотропии показателя преломления (разности показателей преломления для волн, поляризованных вдоль и поперек направления дрейфа электронов), возникающей в электрическом поле Д«(со) = Д(и" - я1). Для больших длин волн (Асо « £к) спектральная зависимость степени
анизотропии преломления Дя(со) подчиняется классическому закону Дл ос со"2. С приближением к краю фундаментального поглощения спектральная зависимость и величина оптической анизотропии, индуцированной греющим электрическим полем, коренным образом меняется. От классического закона спектральная зависимость Дя(со) с увеличением частоты переходит к
расходимость обрезается выражением, зависящим от электронной температуры Те. Для спектральной области, далекой от полосы собственного поглощения, полученный нами результат для анизотропии показателя преломления совпадает с имеющимися расчетами [6]. Вблизи края поглощения полученный результат значительно (в £у !%къТе раз) превышает степень
анизотропии показателя преломления, полученную в [6], это связано с использованием в [6] двухзонного приближения, которое не описывает различное поведение вкладов в диэлектрическую проницаемость от зон легких и тяжелых дырок вблизи края собственного поглощения. Отметим, что для ¡пБЬ поправки к классическому закону для эффекта Керра на свободных носителях заряда на длине волны излучения СОг-лазера довольно значительны. При температуре 80 К ширина запрещенной зоны антимонида индия соответствует = 5.44 мкм. При этом поправки к Дп, обусловленные виртуальными межзонными переходами, составляют около 35 %, следовательно, их учет необходим. В отсутствие разогрева электронов было получено, что
(1)
причем вблизи края собственного поглощения
и"-1 ^-(йсо/^)2]" . Этот результат ранее был получен другим способом
в [7].
В следующем параграфах приводятся результаты экспериментального исследования изотропного изменения коэффициента преломления и возникающего в греюшем электрическом поле двулучепреломление для и-ЬБЬ. Из сравнения расчета и эксперимента для изотропного изменения показателя преломления на длине волны излучения Ю.бмкм в греющем поле определена электронная температура для различных концентраций свободных электронов в зависимости от электрического поля. На рис. 1. приведена спектральная зависимость индуцированного разогревом и дрейфом двулучепреломления, а также результаты расчетов с учетом и без учета виртуальных межзонных переходов. Количественное несогласие расчета и эксперимента вблизи края собственного поглощения для сильного электрического поля объясняется не вполне корректным выбором ФР.
10
с <
10"
1
5 | 6
7 8 9 10 X, мкм
Рис. 1. Спектральная зависимость разности показателей преломления /7-1п5Ь для двух поляризаций света сш || V и е„1 удр. Электрическое поле Е, В/см: 1 -81,2200. а - расчет с учетом виртуальных переходов; б - классический расчет. Стрелкой показана длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны.
Экспериментальные исследования Дл(со) в сильных электрических полях были проведены для п-ЫАб, я-Сс1^Те. Влияние виртуальных переходов на анизотропию преломления обнаружено также и для этих полупроводников.
В следующем параграфе рассмотрено возникновение двулучепреломления Дн в греющем электрическом поле в полупроводниках /?-типа на примере дырочного германия. До настоящей работы эффект Керра на горячих дырках экспериментально не наблюдался, известны лишь работы по анизотропии поглощения на горячих дырках в сильном электрическом поле [8,9]. Описывается расчет показателя преломления на свободных дырках, учитывающий как внутриподзонные, так и межподзонные виртуальные
переходы тяжелых и легких дырок, основанный на соотношении Крамерса-Кронига, аналогичном (1), и смещенных максвелловских ФР тяжелых и легких дырок. Дрейфовые скорости удр , температуры Г, и концентрации Ы, горячих
тяжелых и легких дырок находились с помощью уравнений баланса мощности и потоков частиц. Учитывалось внутри- и межподзонное рассеяние дырок на оптических, акустических фононах и примесях. Получено, что вклад легких дырок в электрооптические эффекты мал. Анизотропия показателя преломления, возникающая в электрическом поле, связана с внутри- и межподзонными виртуальными переходами тяжелых дырок. Этот эффект объясняется совместным действием сдвига ФР при дрейфе дырок в электрическом поле и несферичностью изоэнергетических поверхностей тяжелых дырок (внутриподзонный вклад в анизотропию) а также зависимостью вероятности межподзонных переходов от волнового вектора дырки (межподзонный вклад). Основной вклад в преломление связан с межподзонными виртуальными переходами дырок. Впервые на эксперименте обнаружено двулучепреломление в р-ве в греющих электрических полях (эффект Керра на горячих дырках). Результаты экспериментов хорошо согласуются с результатами расчетов. Исследования были проведены для дырочного германия, однако механизм изменения дырочного показателя преломления и появления его анизотропии, описанный в настоящей работе, является общим для большинства полупроводников р-типа.
В следующем параграфе приводятся результаты исследования нового электрооптического эффекта - увлечения фотонов током дырок. Эффект увлечения фотонов током электронов был впервые экспериментально обнаружен в и-1пАз [10] и был довольно слабым. В [11] было показано, что благодаря межподзонным виртуальным переходам дырок в полупроводниках р-типа эффект увлечения фотонов дырками может быть на несколько порядков больше по сравнению с эффектом на электронах. Рассматриваемый эффект является обратным по отношению к эффекту увлечения носителей заряда светом в полупроводниках р-типа. Оба эти явления имеют общий микроскопический механизм перераспределения импульса между дырочной и фотонной подсистемами. Теоретическая оценка величины эффекта снизу на базе упрощенной теории позволила получить следующее выражение для линейного по току ] вклада в вещественную часть диэлектрической проницаемости [11]:
где у, уь к - параметры Латтинджера для изотропного приближения, волновой вектор света.
Далее приводится качественно объяснение возникновения линейного по току вклада в е, учитывающее асимметрию вероятности переходов для света с волновыми вектором % и и асимметрию ФР при протекании электрического тока. Описана методика измерения Ае с помощью двухлучевого интерферометра Маха - Цендера, позволяющая исключить влияние квадратичных эффектов, описанных выше. Количественное отличие результатов эксперимента (рис. 2) и расчета по (2) объясняется оценочным характером формулы (2).
2.0 г
1.5 -
1.0 -
0.5 -
m
О 0.0 -
С
-0.5 р
-1 0 -
-1.5 -
т = 80 к
Nh = 1.2 1015 см'3
-1.5 -1.0 -0.5
0.0 0,5
2
1.0
1.5
j, кА/см
Рис. 2. Зависимость линейного вклада в показатель преломления р-Ge от плотности тока. Точки - эксперимент, штриховая прямая - линейная аппроксимация по области слабых полей. Сплошная линия - оценка величины эффекта снизу согласно ф. (2).
Вторая глава посвящена исследованиям лазера дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии в скрещенных электрртческом и магнитном полях. К началу настоящей работы о генерации стимулированного излучения дальнего PIK диапазона в полупроводниках было известно уже довольно много, однако оставался нерешенным ряд задач как физического, так и прикладного характера. В последующих параграфах описываются первые сравнительные исследования в конфигурациях полей Фойгта и Фарадея таких характеристик лазера на горячих дырках, как предельная рабочая температура, области генерации и спектральные характеристики излучения лазера. Кроме того, впервые прямым методом измерен коэффициент усиления дальнего ИК излучения горячими дырками в германии в обеих конфигурациях. Прьводятся результаты исследований узкополосного лазера с возможностью перестройки длины волны излучения. Продемонстрированы возможности лазера для практического применения.
В первом параграфе кратко излагаются физические принципы возникновения межподзонной инверсии населенности (ИН) дырок в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях. Показано, что инверсию населенности удобно описывать с помощью т.н. "накопительного" и "разогревно-дрейфового" механизмов, относительный вклад которых определяется конкретными условиями эксперимента. Так, очевидно, что в легированных образцах и при относительно высоких температурах удобнее объяснять возникновение ИН с помощью разогревно-дрейфового механизма.
Второй параграф посвящен исследованию максимальной рабочей температуры лазера на горячих дырках. На рис. 3. представлены экспериментально определенные области электрического и магнитного полей, при которых наблюдается генерация излучения, для различных рабочих температур. Интенсивность генерации при самой низкой и самой высокой рабочей температурах отличались почти на порядок. При температуре 68 К область генерации вырождалась в точку.
3.5
з.о
I 2.5
2.0
1.5
2В К
3.5
3.0
I 2.5
2.0
4.2 К
1.5 -
4.2 К
3.0
1.5 2.0 1.5 2.0 2.5
В, Тл В, Тл
Рис. 3. Области электрического и магнитного полей, в которых наблюдалась генерация излучения дальнего ИК диапазона в конфигурациях полей Фарадея (а) и Фойгга (б) при различных рабочих температурах.
Следующий параграф посвящен расчету коэффициента поглощения излучения в ве на прямых межподзонных переходах а^ (этот коэффициент включает стимулированное поглощение и излучение света и при инверсии населенности имеет отрицательный знак) и коэффициента потерь а„тх?>,. Потери излучения дальнего Ж диапазона определяются, в основном, поглощением при непрямых переходах дырок с участием фононного и примесного рассеяния и решеточным поглощением (величина решеточного поглощения бралась из литературных данных). В расчетах использовались 16
смещенные максвелловские ФР горячих тяжелых и легких дырок, параметры которых (температуры и дрейфовые скорости) находились из решения системы уравнений баланса мощности, импульса и потоков частиц для подзон тяжелых и легких дырок. Показано, что этот довольно простой и наглядный метод дает результаты, качественно совпадающие с результатами расчетов методом Монте-Карло.
Согласно расчетам, коэффициент усиления g= -0112 - сспотсрь падает с ростом температуры. Это связано с ростом рассеяния на акустических фононах. Основной вклад в потери при низких температурах къТ<< йш0 (йсоо- энергия оптотеского фонона) дают внутризонные переходы тяжелых дырок с эмиссией оптического фонона и с рассеянием на примесях. Экспериментально определенная интенсивность излучения падает с температурой значительно сильнее. Хотя даже в линейном режиме интенсивность не прямо пропорциональна коэффициенту усиления, тем не менее, можно сказать, что на зависимость усиления от температуры оказывает влияние резкое увеличение с температурой коэффициента многофононного поглощения света решеткой. Таким образом, основная причина ограничения рабочей температуры лазера заключается в резком росте решеточного поглощения с температурой.
В следующем параграфе приводятся результаты исследований спектров излучения лазера в конфигурациях полей Фойгта и Фарадея на одном и том же образце германия /7-типа с концентрацией дырок Ы/, = 2,5-1014 см0. В спектрах излучения чистых образцов германия в конфигурации Фарадея имеются две области генерации: коротковолновая (Х~ 70...120 мкм) и длинноволновая (1=170...210 мкм) [2]. Генерация в промежутке между этими областями обычно не проявляется, возможно, из-за поглощения света примесями, часть которых в сильном поле остается заполненной дырками. В полученных нами экспериментальных спектрах для более сильно легированного образца длинноволновая область в конфигурации Фарадея отсутствует. Отсутствие длинноволновой области генерации, вероятно, связано с ростом коэффициента потерь излучения при непрямых переходах дырок с участием примесей, который резко увеличивается с длиной волны. Действительно, зависимость усиления, рассчитанная нами для образцов с различной концентрацией дырок, показывает резкое уменьшение усиления в длинноволновой области спектра для образца с большей концентрацией примеси. С ростом электрического и магнитного полей спектр излучения смещается в коротковолновую область, что уже отмечалось ранее для чистых образцов в работах других авторов [2]. Это явление описывается и нашим расчетом. Наряду с большей интенсивностью излучения по сравнению с конфигурацией Фарадея, в конфигурации Фойгта наблюдается также возгорание длинноволновой области генерации. Ранее в легированных образцах с концентрацией дырок Ыи > Ю14 см° генерация в этой области спектра не наблюдалась. Это также свидетельствует о большем
усилении излучения в конфигурации Фойгта по сравнению с конфигурацией Фарадея.
В настоящей работе впервые для обеих конфигураций были измерены спектры излучения лазера на горячих дырках при температурах выше гелиевых. При повышении температуры кристалла интенсивность излучения резко снижается, поэтому для этих измерений использовался специально сконструированный светосильный интерферометр Фабри-Перо.
В следующем параграфе описываются результаты проведенного впервые прямого измерения коэффициента усиления активной среды лазера в конфигурациях Фойгта и Фарадея. Показано, что коэффициент усиления g в максимуме величины для конфигурации Фойгта примерно в три раза больше, чем для конфигурации Фарадея. При # = 2.3 7' и Я=3,4кВ/см величина g достигает значения 0.12 см"1. Коэффициент усиления в конфигурации Фойгта для поляризации света сш || В (возникновение этой поляризации в конфигурации Фарадея невозможно) примерно в 1.8 раза больше, чем для поляризации света ею ± В. С помощью решения системы уравнений баланса проведены расчеты коэффициента усиления света g с учетом анизотропии функции распределения легких дырок и тяжелых дырок. Показано, что основной вклад в анизотропию g дает анизотропия поглощения света при непрямых переходах. Как следует из экспериментальных данных и из расчетов, для конфигурации Фойгта коэффициент усиления света с поляризацией ет || В выше, чем для поляризации еи||Е, что делает использование конфигурации Фойгта более предпочтительным. Впервые это было теоретически показано в [12], где ФР рассчитывалась методом Монте-Карло
Следующий параграф посвящен селекции мод в лазере на горячих дырках и получению узкополосного режима генерации. Описываются известные методы селекции мод в лазере на горячих дырках, которые, однако, имеют определенные недостатки. Далее предлагаются новые методы селекции продольных мод, известные в квантовой электронике, но не применяемые до сих пор в субмиллиметровой области спектра. Описывается схема и результаты исследований резонатора лазера с тонким поглощающим слоем вблизи выходного зеркала, в качестве которого используется металлическая сетка. При генерации стимулированного излучения в резонаторе с высокоотражающими зеркалами устанавливается волна, близкая к стоячей волна, причем из-за большого коэффициента отражения выходного зеркала вблизи него формируется узел стоячей волны. Введение поглощающей пленки в резонатор приводит к тому, что потери для всех мод резонатора за исключением тех, для которых пленка оказывается в одном из узлов стоячей волны оказываются слишком велики, чтобы поддержать генерацию. Перемещая пленку, можно получить квазинепрерывную перестройку длины волны излучения. Селекция мод и выделение узкой полосы (Ду < 0.2 см"1) генерации продемонстрировано на эксперименте.
В основе другой конструкции селективного резонатора лежит использование внутрирезонаторного наклонного интерферометра Фабри-Перо, в качестве которого использовалась пластина кремния. Для повышения селективности и получения генерации на одной длине волны использовались две пластины с близкими толщинами. Схема лазера приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема резонатора с селекцией мод.
Показано, что потери различного типа, вносимые в резонатор наклонными интерферометрами, невелики. Спектр излучение лазера, представленного на рис. 4, представлял «обой узкую линию, ширина которой определялась разрешением спектрометра. По-видимому, наблюдалась генерация на одной продольной моде. Высокая интенсивность излучения (около 10 Вт), близкая к интенсивности лазера без селектирующих элементов и имеющего широкий спектр, говорит об однородном уширении линии генерации, что соответствует механизму усиления.
Аналогичная конструкция, в которой роль наклонного интерферометра играл воздушный зазор переменной толщины между неподвижной и подвижной пластинами непоглощающего германия, позволила наряду с получением узкополосного спектра генерации получить перестройку длины волны излучения при механическом перемещении пластин.
В последнем параграфе продемонстрированы возможности разработанного узкополосного лазера на примере исследования циклотронного резонанса в л-ГпБЬ и пробоя примеси БЬ в Ое в электрическом поле. Использовать в этих экспериментах лазер на горячих дырках удобнее, чем газовые субмиллиметровые лазеры, как в силу определенных преимуществ лазера на горячих дырках (компактность, невысокая стоимость), так и в силу того, что источник излучения, исследуемый образец и фотоприемник могут быть помещены в один и тот же сосуд Дьюара. Приводятся спектры циклотронного резонанса в л^пБЬ в греющем электрическом поле и зависимости концентрации нейтральных доноров БЬ в ве в основном и возбужденном состояниях от электрического поля, найденные из опытов по пропусканию излучения различных длин волн.
В третьей главе изложены результаты экспериментального и теоретического исследования поглощения и двулучепреломления
/
В
Е
поляризованного света при внутризонных (внутри- и межподзонных) переходах электронов в системе множественных квантовых ям (М<3\У) ОаАз/АЮаЛБ и ОеБШе в равновесных условиях и в условиях разогрева двумерных электронов электрическим полем, приложенном вдоль квантово-размерных слоев. Исследовались М(}\У структуры с простыми прямоугольными КЯ с различным типом селективного легирования и с парами туннельно-связанных КЯ.
Во введении отмечается, что внутризонные оптические свойства гетероструктур с квантовыми ямами в условиях разогрева электронов продольным электрическим полем изучены слабо. Затем кратко излагается теория оптических внутризонных (внутри- и межподзонных) переходов в структурах со множественными квантовыми ямами. В следующем параграфе приводятся результаты исследования межподзонного поглощения и связанного с ним двулучепреломления в простых прямоугольных квантовых ямах гетероструктур СаАз/АЮаАБ в условиях разогрева свободных двумерных электронов в продольном электрическом поле. Исследовались гетероструктуры двух типов: с селективным легированием в барьерах и с селективным легированием в квантовых ямах. В обоих случаях квантовые ямы для электронов содержали два уровня (подзоны) размерного квантования.
Описывается методика электрооптических исследований, общая для всех экспериментов, проводимых в данной работе с квантово-размерными структурами. Использовались образцы с поперечным сечением в форме параллелограмма. При этом многократное полное внутреннее отражение увеличивало оптическую длину пути и увеличивало величину наблюдаемых эффектов. Кроме того, такая конфигурация образца позволяла изучать поглощение света как с 5-, так и с /э-поляризацией. Для уточнения параметров МО\У структуры (сверхрешетки) были измерены спектры возбуждения фотолюминесценции (ВФЛ). Спектр ВФЛ измерялся при регистрации сигнала на ■ длине волны, соответствующей длинноволновому крылу пика фотолюминесценции и сканировании длины волны возбуждающего света. При сканировании длины волны возбуждающего света интенсивность фотолюминесценции отражает особенности спектра коэффициента поглощения света, связанного с переходами электронов из подзон валентной зоны в подзоны зоны проводимости. Для оценки энергий возможных переходов были произведены расчеты зонной структуры сверхрешетки в приближении модели Кронига-Пенни. Параметры сверхрешетки, использованные в расчете, определялись из подгонки рассчитанных и наблюдаемых в эксперименте положений особенностей в спектре ВФЛ.
Равновесный спектр межподзонного поглощения излучения р-поляризации представляет собой пик, спектральное положение которого хорошо коррелирует с параметрами КЯ, полученными при исследовании спектров ВФЛ. Амплитудная модуляция света двух поляризаций исследовалась в сильном продольном электрическом поле. Были получены значения
изменения коэффициента поглощения Да'' и Да5 для излучения соответствующей поляризации. Отметим более сильное изменение Аар для света с длиной волны к = 10,6 мкм по сравнению с л = 9,6 мкм и почти одинаковое значение Да'' для этих длин волн. Был также обнаружен и исследован электрооптический эффект на горячих двумерных электронах. В продольном греющем электрическом поле коэффициент поглощения света для .v- и /^-поляризации света изменяется на разную величину. Поэтому в соответствии с соотношением Крамерса - Кронига (1) следует ожидать разного изменения показателя преломления для света разных поляризаций. В этом заключается сущность электрооптического эффекта Керра. Этот эффект можно обнаружить по изменению поляризации света после его прохождения через MQW структуру, если на входе кристалла свет был линейно поляризован так, что вектор поляризации составлял угол 45° с плоскостью падения.
Излагается модель, объясняющая наблюдаемые эффекты. Учитывая соотношение Крамерса - Кронига, достаточно объяснить возникновение модуляции поглощения в продольном электрическом поле. При селективном легировании электроны в квантовой яме и ионы донорной примеси пространственно разделены. Наличие объемного заряда приводит к образованию потенциальной ямы в области барьера. Согласно оценкам, глубина такой ямы в наших структурах примерно 15 мэВ. На образование ямы в области барьера указывает, в частности, сравнение экспериментальных и расчетных значений положения особенностей в спектре ВФЛ. Появление ямы в барьере приводит к понижению второго электронного уровня, а точнее, минизоны, среднее энергетическое положение которой близко к энергии уровня. При разогреве электронов электрическим полем часть из них переходит с основного уровня в состояния минизоны, расположенной вблизи потолка ямы, поскольку, в условиях конкретного эксперимента температура электронов может превысить 400 К. На высокую среднюю энергию электронов и их выброс из ямы указывает появление наблюдаемого нами излучения, которое мы связываем с переходами электронов из состояний верхней минизоны на первый уровень. Минизонные состояния простираются в область барьера, так что выброс электронов с основного состояния приводит к уменьшению пространственного заряда, уменьшению глубины ямы в области барьера и сдвигу минизоны вверх по шкале энергий, что приводит к "голубому" сдвигу линии межподзонного поглощения и изменению поглощения излучения СОг-лазера. Изменение поглощения излучения ¿'-поляризации в электрическом поле связывается с внутризонными переходами электронов с рассеянием на неравновесных оптических фононах.
В следующем параграфе описываются аналогичные исследования, выполненные на структурах ОаАз/АЮаАэ с селективным легированием квантовых ям. Электрооптические эффекты (изменение поглощения и двулучепреломления) исследовались на трех спектральных линиях С02-лазера.
Эффекты пространственного заряда в таких структурах отсутствуют, при этом удалось наблюдать более тонкие оптические явления, проявляющиеся при разогреве двумерных электронов. Обнаруженный "красный" сдвиг линии межподзонного поглощения в продольном электрическом поле связывается с эффектами непараболичности и обменного взаимодействия. Был проведен модельный расчет трансформации линии межподзонного поглощения при разогреве электронов с учетом непараболичности подзон и обменного взаимодействия. Из-за обменных эффектов перераспределение электронов в к-пространстве при их разогреве сопровождается изменением формы дисперсионных кривых £„{\\)- Из сопоставления наблюдавшегося в эксперименте уменьшения коэффициента поглощения света при /IV = 117 и 123 мэВ с семейством расчетных кривых межподзонного поглощения на горячих электронах была получена полевая зависимость температуры горячих электронов.
В следующем параграфе приведены результаты исследования поглощения, связанного с оптическими переходами уровень — континуум в селективно легированных структурах с квантовыми ямами Ое/веБ! при разогреве дырок продольным электрическим полем. Это первые результаты исследования поглощения ИК излучения при разогреве дырок в структурах Ое/Ое51. В структурах с КЯ р-типа, в отличие от структур «-типа, возможно поглощение света с поляризацией как вдоль оси роста структуры, так и перпендикулярно ей. Квантовые ямы исследуемой МС^ структуры содержали 8 подзон размерного квантования. При разогреве полем дырки занимают вышележащие состояния как в первой подзоне, так и в верхних подзонах, что вызывает изменение поглощения света из-за изменения вероятности перехода и приведенной плотности состояний. Было проведено сравнение изменения поглощения света при разогреве дырок полем и при изменении температуры кристалла (в последнем случае меняется и температура находящихся в равновесии с решеткой дырок) и определена зависимость температуры горячих дырок от напряженности электрического поля. Рассмотренный метод нахождения температуры горячих носителей заряда является более простым и удобным по сравнению с измерениями спектров фотолюминесценции в сильных электрических полях [13].
Экспериментально: ранее не наблюдались квазипериодические осцилляции коэффициента поглощения в спектре фотоионизации квантовой ямы, которые, как было предсказано в теоретической работе [14], должны возникать в сильных поперечных электрических нолях. В следующем параграфе описаны результаты исследования , по экспериментальному обнаружению указанных осцилляции и проводятся необходимые расчеты для структуры ОаАз/АЮаАБ, имеющей два энергетических уровня в КЯ, причем верхний уровень близок к потолку КЯ. Приводится расчет волновых функций электрона в квантовой яме и спектра внутризонного поглощения в поперечном
электрическом поле. Экспериментально исследован спектр равновесного внутризонного поглощения, имеющий форму пика при Лу = 170 мэВ (это значение соответствует расстоянию между уровнями), а также обнаружены осцилляции в спектрах модуляции поглощения для поперечного поля при энергиях квантов Лу > 200 мэВ. В отсутствие электрического поля в этой спектральной области наблюдается слабое оптическое поглощение, обусловленное оптическими переходами с основного уровня в континуум состояний над ямой. Согласно расчету для ям, близких к резонансным, поглощение должно монотонно убывать с ростом энергии квантов, что и наблюдалось в эксперименте. Создание поперечного электрического поля приводит к трансформации энергетического спектра электронов в яме. На фоне континуума состояний над ямой в дополнение к редко расположенным уровням прямоугольной ямы возникает серия квазидискретных уровней, обусловленных линейным потенциалом внешнего поля. В результате в спектре оптического поглощения возникают пики, соответствующие переходам электронов с основного уровня на эти квазидискретные уровни. С увеличением напряженности поперечного поля расстояние между этими пиками увеличивается. Варьированием модельных параметров расчета и подгонкой его под эксперимент можно независимо определить параметры квантовой ямы: ширину и глубину. Таким образом, с точки зрения метрики квантовых ям, исследования электропоглощения в поперечном поле могут быть достаточно информативными.
В следующем параграфе излагаются результаты исследования модуляции коэффициента поглощения и показателя преломления при разогреве электронов продольным электрическим полем в специально сконструированной МС)\¥ структуре из туннельно-связанных квантовых ям ОаАз/АЮаАэ (см. рис. 5).
Параметры структуры были подобраны таким образом, чтобы в продольном электрическом поле возникало поглощение света на переходах между подзонами 2->3. При температуре решетки То— 77 К все электроны сосредоточены на первом энергетическом уровне £\. Продольное электрическое поле, разогревая электроны, приводит к заполнению вышележащих состояний этого уровня (подзоны). В результате становятся возможными переходы электронов во вторую подзону Вг вследствие рассеяния на фононах или примесях. Отметим, что при этом происходит туннелирование электронов в широкую яму или их перенос в реальном пространстве, т.к. состояния второй подзоны локализованы, в основном, в широкой КЯ. Увеличение концентрации электронов во второй подзоне приводит к возникновению поглощения на переходах 2-»3. Увеличению коэффициента поглощения агз способствует также то, что энергетический зазор 8г -£\ меньше энергии оптического фонона, что уменьшает вероятность обратного рассеяния электронов со второй подзоны в первую с испусканием оптического фонона.
х: 0.42
СаАз/А1х6а1.хА5 0 0.42 0.1
0.42
5, =88 мэВ
Лу
5 нм 2 нм
8 3 нм
£■4 = 316 мэВ 5з = 235 ыэВ Вг = 120 мэВ
. _ ____ 1 Уз
______
Ч>''
Рис. 5. Профиль потенциала и волновые функции для пары туннельно-связанных квантовых ям Оа.Да/АЮаЛз.
В данной структуре исследованы равновесные спектры межподзонного поглощения при различных температурах решетки, дано объяснение температурной зависимости поглощения, основанное на пространственном переносе электронов. Наблюдаемое на эксперименте изменение межподзонного поглощения и связанного с ним двулучепреломления также объясняется на основе модели, учитывающей разогрев электронов в продольном электрическом поле и сопровождающий его перенос электронов в реальном пространстве. В модели учитывается искажение потенциала в структуре, вызываемое пространственным зарядом, возникающем при селективном легировании. Подтверждением роли переноса электронов в реальном пространстве в рассмотренных явлениях является поведение подвижности электронов в сильном поле, которое соответствует наличию в электрическом поле двух групп электронов, локализованных в узкой и широкой КЯ, причем подвижность электронов, локализованных в широкой яме больше из-за меньшего рассеяния на несовершенствах интерфейса по сравнению с узкой ямой.
Последние параграфы третьей главы посвящены исследованию относительно слабо изученных (в основном, теоретически) оптических явлений, связанных с внутриподзонными непрямыми оптическими переходами носителей заряда в квантовых ямах. Однако эти явления важны: например, поглощение инфракрасного и особенно дальнего инфракрасного излучения, связанное с непрямыми переходами двумерных электронов и его изменение при разогреве электронов следует учитывать при разработке и исследовании
лазеров этих диапазонов на квантовых ямах. Изучение этих явлений может также дать информацию о параметрах разогретых носителей заряда.
Приводятся результаты экспериментального исследования поглощения излучения дальнего ИК диапазона (Я = 92 мкм) в структурах с М(}\У ОаАБ/АЮаАэ в условиях равновесия и при разогреве электронов. В качестве источника излучения использовался лазер субмйллиметрового излучения на горячих дырках, описанный в главе 2. Проведён расчет поглощения излучения при непрямых переходах разогретых двумерных электронов с рассеянием на фононах (включая неравновесные оптические фононы), примесях и шероховатостях интерфейсов.
Расчеты и эксперименты выполнялись для МС)\¥ структуры СаАз/АЮаАБ, имеющей в квантовой яме два уровня размерного квантования, расстояние между которыми на порядок превышаю энергию кванта, так что вклад межподзонных переходов можно было не учитывать. На рис. 6 приведены экспериментально определенные и рассчитанные значения коэффициента поглощения дальнего ИК излучения. Для корректного сравнения эксперимента и расчета следует учитывать формирование стоячей волны при полном внутреннем отражении поляризованного света в образце. Из сравнения результатов эксперимента и расчета следует, что основными механизмами рассеяния, ответственными за поглощение длинноволнового ИК излучения в квантовых ямах при низких температурах, являются рассеяние на ионизованных примесях и шероховатостях интерфейсов. С ростом температуры электронов в продольном поле существенное значение приобретает рассеяние на оптических фононах, включая рассеяние на неравновесных фононах.
3200
зооо
(а)
э-поляризация
т 2800 -о
О. "
"а 2600 1800~
1600 -
Т = 4.2 К I = 92 мкм
р-поляризация --------------
-1-
-1_I_ь
200 400 600 800 1000 Е, В/см
4000
3000 -
2000
1000
X = 92 мкм N = 4.2 К
', Шероховатости Учетнеравн. '. интерфейса фононов
о./ /
~!римес'еуС.;.
100 200 300 400 500 Температура, К
Рис. б. Внутриподзонное поглощение излучения: эксперимент (а) и расчет (б). Равновесное поглощение а = 3800 см"1 (эксперимент).
г
Четвертая глава посвящена исследованию эмиссии излучения из полупроводниковых наноструктур.
Во введении обосновывается интерес к исследованию новых методов генерации излучения в структурах с пониженной размерностью.
В следующем параграфе приводятся результаты расчета и эксперимента по спонтанной внутриподзонной эмиссии излучения дальнего Ж диапазона из МС>\У структур с квантовыми ямами. Наряду с внутриподзонным поглощением излучения дальнего РЖ диапазона, описанным в предыдущей главе, в продольном электрическом поле, разогревающем электроны, возможно наблюдение спонтанного излучения, связанного с непрямыми переходами неравновесных электронов с рассеянием на примесях, фононах и несовершенствах интерфейсов. Приводится расчет спектральной плотности спонтанно испущенных квантов света при разогреве двумерных электронов с учетом указанных механизмов рассеяния. В расчете учитывается накопление неравновесных оптических фононов при разогреве электронов. Определен вклад различных механизмов рассеяния, участвующих в эмиссии излучения для различных условий (длина волны, электронная температура, концентрация примеси). Для сравнения результатов расчета и эксперимента была рассчитана интенсивность излучения, вышедшего из образца, с учетом самопоглощения излучения в структуре. Следует отметить, что самопоглощение существенно меняет спектральную зависимость интенсивности спонтанного излучения. Впервые экспериментально исследованы спектры интенсивности спонтанного внутриподзонного излучения при разогреве двумерных электронов в квантовых ямах М^М структур СаАз/АЮаАя продольным электрическим полем. Спектры излучения (Лу = 4... 14 мэВ) измерялись с помощью перестраиваемого магнитным полем фильтра на циклотронном поглощении в 1пЭЬ. Спектры пропускания фильтра в магнитном поле были определены с помощью лазера на горячих дырках, описанного в главе 2. Сравнение экспериментально определенных спекгров спонтанного излучения с результатами расчета позволило определить зависимость температуры двумерных электронов от электрического поля.
Вторая часть главы посвящена исследованию эмиссии света при межуровневых и межподзонных переходах в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами. Она состоит из двух разделов. Первый посвящен экспериментальному обнаружению межуровневого (внутризонного) излучения из структур с квантовыми точками ¡пОаАБ/АЮаАБ. Отметим, что до сих пор оптические межуровневые переходы в квантовых точках не изучались, за исключением работы по фотоиндуцированному поглощению излучения среднего ИК (СИК) диапазона при межуровневых переходах дырок и электронов в квантовых точках ^АзЛЗаАэ [15]. Во втором разделе теоретически исследуются новые возможности создания лазеров на
внутризонных (межуровневых и межподзонных) переходах носителей заряда в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами.
В первом разделе приводятся результаты экспериментального обнаружения спонтанного излучения среднего ИК диапазона (А, = 10...20 мкм), связанного с межуровневыми переходами носителей заряда в структурах с квантовыми точками. Слои с самоорганизующимися квантовыми точками Ino.5Gao5As/Alo.i5Ga<)85As были встроены в ¡-область инжекционного лазера, генерирующего излучение ближнего ИК диапазона (БИК, А. = 0.9 мкм), благодаря межзонной излучателыюй рекомбинации электронно-дырочных пар. При токах накачки, превышающих порог генерации излучения ближнего ИК диапазона, одновременно наблюдалось стимулированное излучение ближнего ИК и спонтанное излучение среднего ИК диапазонов (см. рис. 7). Спектральный состав излучения среднего ИК диапазона (1= 10...20 мкм) был определен с помощью фильтров. Наблюдаемое на эксперименте спонтанное излучение СИК диапазона связывается с межуровневыми (внутризонными) переходами носителей заряда в квантовых точках. Условием наблюдения излучения СИК диапазона является генерация стимулированного излучения БИК диапазона, которое опустошает основные уровни квантовых точек. Это подтверждается пороговым характером наблюдаемого спонтанного излучения. Относительно высокое время жизни носителей заряда на возбужденном состоянии квантовой точки (т.н. "phonon bottleneck effect" [16]) способствует наблюдению спонтанного излучения. Данная модель подтверждается аналогичными экспериментами, проведенными на лазерных (БИК) структурах с квантовыми ямами InGaAs/GaAs в /-слое. В этом случае интенсивность
о.з
с£ Ф
ГО CL О
ф
ч о к о
-8ц
0.2
0.1
s О
0.0
/стимулированное излучение БИК диапазона
Ж
Т= 30 К
/спонтанное излучение :i'th А СИКдиалазона
6
I, А
10 12
0 05
е£
CD
0.05 О.
С
го"
0.04 Q.
О
н
ф
0 03 ь ф
Ct
о
0 02 ь-о
-&
с;
0 0! го
X
s
0.00 О
Рис. 7. Стимулированное излучение ближнего ИК диапазона и спонтанное излучение среднего ИК диапазона из структур с квантовыми точками.
наблюдаемого спонтанного излучения была на порядок ниже, чем в структурах с квантовыми точками, и не имела порога. Отсутствие порога объясняется тем,
27
что излучательные переходы между подзонами в квантовых ямах возможны даже при сильном заполнении нижнего состояния.
Во втором разделе предлагаются физические принципы создания инверсии населенности электронов между уровнями размерного квантования одной зоны при токовой инжекции или оптической накачке электронов и дырок в /'-область гетероструктуры с квантовыми точками или квантовыми ямами, что позволяет получить стимулированную эмиссию излучения среднего ИК диапазона. Предлагается использовать структуры с квантовыми точками или квантовыми ямами, имеющие три уровня размерного квантования. Важной особенностью предлагаемых механизмов создания инверсии населенности является наличие "метастабильного" верхнего уровня с большим временем жизни тз. В структурах с квантовыми точками метастабильный уровень формируется благодаря эффекту "фононного горла". В квантовых ямах этот уровень может быть сформирован за счет слабого перекрытия волновых функций электронов на уровнях в квантовых ямах специальной воронкообразной формы. При выполнении условия тз > т2 возможно создание инверсии населенности. Однако, для генерации стимулированного излучения СИК диапазона требуются относительно высокие уровни накачки, приводящие к высокой концентрации электронов на основном, низшем уровне. В результате, возникающая инверсия населенности может быть разрушена из-за ее и е-И взаимодействия. Предлагается два механизма опустошения основного состояния. Первый способ основан на генерации в той же структуре интенсивного стимулированного излучения ближнего ИК диапазона благодаря межзонной излучательной рекомбинации (такой метод был предложен в [17] для двухуровневых систем и развит в [18]). Возникающее после начала генерации излучения БИК диапазона стимулированное межзонное излучение не позволяет носителям заряда накапливаться на основном уровне. Такой лазер может быть назван "двухцветным". Второй способ основан на использовании резонансной оже-рекомбинации. Сущность предлагаемого метода поясняется на рис. 8.
При выполнении условия резонанса з - = St\ - £hhi происходит не только рекомбинация электронно-дырочной пары, но и дополнительная накачка возбужденного уровня еЗ, т.е. обычно вредная для лазерной генерации оже-рекомбинация играет в данной структуре существенную положительную роль, оже-лазер может быть реализован с использование Sb-содержащих гетероструктур II типа.
Рассчитаны параметры конкретных лазерных структур. Приводятся результаты расчета вероятностей межподзонных переходов для двухцветного и оже-лазеров и вероятности оже-рекомбинации для оже-лазера. Проведены оценки коэффициента усиления среднего ИК излучения при прямых внутризонных оптических переходах и значения тока накачки или мощности
Резонансный оже-процесс £>3 - £е1 а
Рис. 8. Схема оже-лазера.
оптической накачки, необходимых для генерации среднего ИК излучения в структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами. Показано, что, лазерная генерация в лазерах предложенных конструкций может быть реализована при мощности межзонной оптической накачки 15 Вт, которая может быть получена от обычного полупроводникового лазера.
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Основные результаты опубликованы в следующих работах:
А1.Л.Е.Воробьев, В.И.Стафеев, А.Ю.Ушаков, Д.А.Фирсов. Индуцированная дрейфом электронов анизотропия диэлектрической проницаемости в ¡пЛ.ч и Сс10г^НЯотзТе. Вклад квантовых поправок. ФТП, т.16, в.10, с.1831-1833 (1982).
А2.Л.Е.Воробьев, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Влияние междырочных столкновений на модуляцию света и функцию распределения теплых дырок в германии. ФТП, т. 17, в.5, с.796-802 (1983). АЗ.Л.Е.Воробьев, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Влияние разогрева и дрейфа электронов на показатель преломления п-1пЯЬ с учетом межзонных переходов. ФТП, т.18, в.З, с.513-518 (1984). А4.Л.Е.Воробьев, В.И.Масычев, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Спектральная зависимость индуцированной током анизотропии показателя преломления на горячих электронах в п-1пБЬ. ФТП, т.18, в.З, с.565-567 (1984). А5.Л.Е.Воробьев, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Электрооптический эффект на свободных носителях заряда в полупроводниках. Минск. Тезисы докладов X Всесоюзн. конференции по физике полупроводников. Часть 2, с.33-34 (1985).
А6. Л.Е.Воробьев, Д.В.Донецкий, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Увлечение фотонов током дырок в германии. Саратов. Труды II Всесоюзн. шк.-сем. "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлекгрическими структурами", часть 2, с.24-25 (1988).
A7.L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, Yu.V.Kochegarov, V.l.Stafeev, D.A.Firsov. Narrowband tunable submillimeter hot hole semiconductor laser. Proc. of 16th Intern. Conf. on Infrared and Submillimeter Waves. Lausanne, Switzerland, 1991, pp.176-177.
A8.Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Д.В.Донецкий, 10.В.Кочегаров, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Безынжекционный узкополосный лазер дальнего ИК-диапазона на горячих дырках и его использование для исследования примесного пробоя. ФТП, т.27, в.1, с.146-155 (1993).
А9.Л.Е.Воробьев, Д.В.Донецкий, В.И.Стафеев, Д.А.Фирсов. Индуцированное током и разогревом дырок изменение диэлектрической проницаемости германия. Тезисы докладов 1-й Российской конфер. по физике полупроводников, Н.Новгород, 1993, с.276.
А10. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, Yu.V.Kochegarov, V.l.Stafeev, D.A.Firsov. Narrowband tunable sub-rnillimeter hot hole injectionless semiconductor laser and its use for cyclotron resonance investigations. Optical and Quantum Electronics, v.25, N.10, p.705-721 (1993).
All. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, Yu.V.Kochegarov, V.l.Stafeev,
D.A.Firsov. Injectionless FIR laser on interband transitions of hot holes in germanium. Semicond. Science and Technol., v.9, N.4, p.641-644 (1994).
A12. Л.Е.Воробьев, Д.В.Донецкий, Д.А.Фирсов. Электрооптический эффект на горячих дырках. Письма в ЖЭТФ, т.59> в.12, с.832-836 (1994).
А13. Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов. Полупроводниковый узкополосный лазер дальнего ИК диапазона с поглощающим селектирующим элементом и возможностью плавной перестройки частоты. Письма в ЖТФ, т.20, в.24, с.40-44 (1994).
А14. Л.Е.Воробьев, Е.А.Зибик, Ю.В.Кочегаров, С.Н.Данилов, Д.А.Фирсов,
E.Тове, Д.Сан, А.А.Торопов, Т.В.Шубина. Оптические явления при разогреве электронов в системе квантовых ям GaAs-AlGaAs продольным электрическим полем. ФТП, т.29, в. 5-6, с.1136-1148 (1995).
А15. E.Tovve, D.Sun, L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, E.A.Zibik, D.A.Firsov. A two-dimensional hot electron electro-optic effect in GaAs/(Al,Ga)As multiple quantum wells. Superlattices and Microstructures, v. 17, No.2, p.129-133 (1995).
A16. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, E.A.Zibik, D.A.Firsov, E.Tovve, D.Sun, A.A.Toropov, T.V.Shubina. Electrooptical effect due to heating of two-dimensional electrons in multiple quantum wells. Lithuanian Journal of Phvsics, v.35, N5-6, p.363-367 (1995).
A17. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, Yu.V.Kochegarov, D.A.Firsov. Generation of far-infrared light by hot holes in germanium in crossed electrical
and magnetic fields in Faraday and Voight geometries. Lithuanian Journal of Physics, v.35, N5-6, p.514-516 (1995).
A18. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, E.A.Zibik, Yu.V.Kochegarov, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, I.I.Saydashev, A.Ya.Shik, L.E.Golub, V.Ya.Aleshkin, O.A.Kuznetsov, L.K.Orlov. Optical properties of hot two-dimensional electrons and holes in quantum wells in longitudinal electric field. The Physics of Semiconductors, ed. by M.Scheffler and R.Zimmermann, World Scientific, Singapore, 1996, V.3, pp. 1887-1890.
A19. S.N.Danilov, L.E.Vorobjev, V.I.Stafeev, D.A.Firsov. Tunable submillimeter laser and its applications. Laser Physics, v.7, №2, p.369-374 (1997).
A20. Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Ю.В.Кочегаров, В.Н.Тулупенко, Д.А.Фирсов. Характеристики лазера дальнего ИК диапазона на горячих дырках в германии в конфигурациях полей Фогта и Фарадея. ФТП, т.31, в.12, с.1474-1481 (1997).
А21. Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Ю.В.Кочегаров, В.Н.Тулупенко, Д. А Фирсов. Усиление излучения дальнего ИК диапазона горячими дырками в германии в скрещенных Е и В полях. ФТП, т.31, в.12, с. 1482-1486 (1997).
А22. Л.Е.Воробьев, И.И.Сайдашев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин. Двулучепреломление и поглощение света при межподзонных переходах горячих электронов в квантовых ямах. Письма в ЖЭТФ, т.65, No.7, с.525-530
(1997).
А23. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, E.A.Zibik, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, I.I.Saydashev, A.Ya.Shik, V.Ya.Aleshkin, O.A.Kuznetsov, L.K.Orlov. Electro-optical phenomena accompanying electron and hole heating in superlattices and quantum wells GaAs/AlGaAs and Ge/GeSi. Superlattices and Microstructures, v.22, No.4, p.467-473 (1997).
A24. Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Н.Тулупенко, Ю.М.Шерняков, А.Ю.Егоров, А.Б.Жуков, А.Р.Ковш, П.С.Копьев, И.В.Кочнев, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов, В.М.Устинов, Ж.И.Алферов. Спонтанное длинноволновое межуровневое излучение в лазерных структурах с квантовыми точками. Письма в ЖТФ, т.24, в.15, с.20-26 (1998).
А25. Л.Е.Воробьев, И.Е.Титков, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, А.А.Торопов, Т.В.Шубина, В.Н.Тулупенко, E.Towe. Поглощение и преломление света при межподзонных переходах горячих электронов в связанных квантовых ямах GaAs/AlGaAs. Физика и техника полупроводников, т.32, в.7, с.852-856
(1998).
А26. Л.Е.Воробьев, Е.А.Зибик, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, О.Н.Нащекина, И.И.Сайдашев. Модуляция оптического поглощения квантовых ям GaAs/AlGaAs в поперечном электрическом поле. Физика и техника полупроводников, т.32, в.7, с.849-851 (1998).
А27. Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Н.Тулупенко, Ю.М.Шерняков, Н.Н.Леденцов, В.М.Устинов, Ж.И.Алферов. Спонтанное
излучение дальнего ИК диапазона при переходах носителей заряда между уровнями квантовых точек. Письма в ЖЭТФ, т.67, No.4, с.256-260 (1998).
А28. Л.Е.Воробьев, Д.В.Донецкий, Д.А.Фирсов, Е.Б.Бондаренко, Г.Г.Зегря, E.Tovve. Излучение терагерцового диапазона из квантовых ям в продольном электрическом поле. Письма в ЖЭТФ, т.67, No.7, с.507-511 (1998).
А29. L.E.Vorobjev, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, V.N.Tulupenko, Yu.M.Shemyakov, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, A.R.Kovsh, P.S.Kop'ev, I.V.Kochnev, N.N.Ledentsov, M.V.Maximov, V.M.Ustinov, Zh.I.Alferov. Infrared emission from nanostructures with quantum dots and quantum wells. The 24й International Conference on the Physics of Semiconductors. (Jerusalem, Israel, 2-7 August 1998). Abstracts, v.2, p.Th2-C3
A30. L.E.Vorobjev, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, V.N.Tulupenko, A.Yu.Egorov, A.E.Zhukov, A.R.Kovsh, P.S.Kop'ev, I.V.Kochnev, N.N.Ledentsov, M.V.Maximov, V.M.Ustinov, Zh.I.Alferov. Spontaneous IR intersublevel. emission from quantum dots conditioned by main interband lasing. .In Fourth International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics, Fiodor F. Sizov, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3890, p.27-34 (1999).
A31. L.E.Vorobjev, V.L.Zerova, l.E.Titkov, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, V.N.Tulupenko, E.Towe. Electrooptical phenomena in tunnel-coupled quantum wells in longitudinal electric field. Materials Science Forum, Vols. 297-298, pp. 33-36 (1999).
A32. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, V.L.Zerova, Yu.V.Kochegarov, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, G.G.Zegrya, E.Towe. Hot electron FIR emission and absorption in GaAs/AlGaAs QW. Materials Science Forum, Vols. 297-298, pp. 45-48 (1999).
АЗЗ. Л.Е.Воробьев, Д.В.Донецкий, Е.А.Зибик, Д.А.Фирсов, В.Я.Алешкин, О.А.Кузнецов, Л.К.Орлов. Эмиссия и поглощение ИК-излучения в Ge/GeSi квантовых ямах в продольных электрических полях. Известия Академии наук, серия физическая, т.63, № 2, с.339-347 (1999).
А34. L.E.Vorobjev, V.L.Zerova, l.E.Titkov, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, V.N.Tulupenko, E.Towe. Birefringence and absorption of infrared radiation in tunnel-coupled GaAs/AlGaAs quantum wells in longitudinal electric field. Superlattices and Microstructures, v.25, No.1/2, p.367-371 (1999)
A35. Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, В.А.Шалыгин, В.Н.Тулупенко, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, В.М.Устинов, Ю.М.Шерняков, Ж.И.Алферов. Перспективы1 создания источников излучения среднего ИК диапазона на основе внутризонных межуровневых переходов носителей заряда в инжекциопных лазерных гетероструктурах с квантовыми точками и ямами. Успехи физических наук, т. 169, № 4, с.459-463 (1999).
А36. E.Towe,. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, Yu.V.Kochegarov, D.A.Firsov, D.V.Donetsky. Hot electron far-infrared intrasubband absorption and emission in quantum wells. Applied Physics Letters, v.75, Iss. 19, p.2930-2932 (1999).
А37. Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Ю.В.Кочегаров, В.Н.Тулупенко, Д.А.Фирсов. Генерация излучения миллиметрового диапазона при разогреве и дрейфе носителей заряда в InP. Тезисы докладов 4 Российской конференции по физике полупроводников, 25-29 октября 1999 г., с. 42. Новосибирск, Академгородок. А38. L.E.Vorobjev, S.N.Danilov, D.V.Donetsky, D.A.Firsov, E.Towe, Pv.Kh.Zhukavin, S.G.Pavlov, V.N.Shastin. Intrasubband fast absorption and emission of terahertz radiation by hot electrons in GaAs/AIGaAs MQW. Physica B, v.272, iss.1-4, pp.223-225 (1999). A39. L.E.Vorobjev, E.A.Zibik, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, E.Towe, A.A.Toropov, T.V.Shubina. Fast modulation of infrared light by hot electrons in tunnel coupled GaAs/AIGaAs quantum wells. Physica B, v.272, iss.1-4, pp.451-453 (1999). A40. L.E.Vorobjev, D.A.Firsov, V.A.Shalygin, Zh.I.Alferov, N.N.Ledentsov, V.M.Ustinov, Yu.M.Shernyakov, V.N.Tulupenko. Emission of mid-infrared radiation and intersubband population inversion in near-infrared laser QW structures. Physica E, v.7, iss.1-2, pp.241-244 (2000). A41. Л.Е.Воробьев, Д.А.Фирсов, Г.Г.Зегря. Оже-лазер среднего ИК диапазона на межподзонных переходах носителей заряда в квантовых ямах. Нанофотоника. Материалы совещания (Нижний Новгород, 20-23 марта 2000 г.). Институт физики микроструктур РАН, 2000 г., с.91-94.
Цитированная литература
1. Конуэлл Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных
электрических полях. М., "Мир", 1970, 384 с.
2. Optical and Quantum Electronics 23, No. 2,1991 (Special Issue on Far-infirared
Semiconductor Lasers).
3. Faist J., Capasso F., Sivco D.L., Sirtori C., Hutchinson A.L., Cho A. Y. Science
264,553 (1994).
4. Gauthier-Lafaye O., Boucaud P., Julien F.H. et al. Appl. Phys. Lett., 71, 3619
(1997).
5. Болтаев А.П., Ленин H.A. ФТП 10, в. 5, 911-917 (1976).
6. Васько Ф.Т. ФТТ 15, в. 6,1693-1696 (1973).
7. Аронов А.Г., Пикус Г.Е., Шехтер Д.Ш. ФТТ 10, в. 2, 822-824 (1968).
8. Bray R., Pinson W.E. Phys. Rev. Lett. 11, No. 6, 268-271 (1963).
9. Воробьев Л.Е., Осокин Ф.И., Стафеев В.И. ФТП 16, в. 7, 1313-1316 (1982).
10. Мосс Т.С., Баррелл Г.Дж., Хезерингтон Э. В кн. Труды IX Международной конференции по физике полупроводников. М., "Наука", т. 1,213-218,1969; Moss T.S., Burrell G.J., Hetherington Е. Proc. Roy. Soc. A308, 125-132 (1968).
11. Васько Ф.Т., Стебловский Г.И. Укр. физ. журн. 32, в. 5, 673-675 (1987).
12. Инвертированные распределения горячих электронов в полупроводниках. Сб. под ред. А.А.Андронова, Ю.К.Пожелы, Горький, ИПФ АН СССР, 1983, 228 с.
13. Shah J., Pinczuk A., Gossard А.С., Wiegmann W. Phys. Rev. Lett. 54, No. 18, 2045-2048(1985)
14. Петров А.Г., Шик А.Я. ФТП 24, 1431-1436 (1990).
15. Sauvage S., Boucaud P., Julien F.H., Gerard J.-M., Marzin J.-Y. Journ. Appl. Phys. 82, No. 7, 3396-3401 (1997).
16. Heitz R., Veit M., Ledentsov N.N., Hoffmann A., Bimberg D., Ustinov V.M., Kop'ev P.S., Alferov Zh.I. Phys.Rev.B. 56, 10435-10445 (1997). .
17. Kastalsky A. IEEE Journ. of Quant. Electr. 29, No. 4, 1112-1115, (1993).
18. Воробьев JI.E.. Письма в ЖЭТФ 68, No. 8, 392-399 (1998).
