Пикосекундная суперлюминесценция и ее влияние на изменение прозрачности GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

АГЕЕВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА

ПИКОСЕКУНДНАЯ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЗРАЧНОСТИ ОаАв

(01.04.10 - физика полупроводников)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

I

Москва - 2005

ПИКОСЕКУНДНАЯ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЗРАЧНОСТИ ОаАэ

(01.04.10 - физика полупроводников)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

£/33963

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель - доктор физико - математических наук,

И. Л. Броневой

Официальные оппоненты - доктор физико - математических наук,

А.Ф. Полупанов доктор физико - математических наук, В. П. Данилов

Ведущая организация - Российский научный центр

"Курчатовский институт" (г. Москва)

Зашита сосюигся "/р^ __2005 г. в /¿^часов на заседании дис-

сертационного совета Д 002.231.01 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу : 125009. г Москва ГСП-9. ул. Моховая 11. корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан .-¿¿¿г-*/__2005 г.

|еос НАЦИОНАЛЬНА»! СИКЛИОТЕМ |

¿■дал

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

С.Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование сверхбыстрых процессов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах является одним из актуальных направлений физики полупроводников. Возможность для таких исследований создает, прежде всего, развитие пико - и фемтосекундной лазерной техники [1-3], а также техники параметрической генерации сверхкоротких импульсов света [4]. Благодаря такому прогрессу лазерной физики значительно расширились возможности возбуждения сверхбыстрых процессов в полупроводниках и исследования этих процессов со сверхвысоким разрешением во времени, в частности, методами сверхбыстрой оптической спектроскопии^]. Поясним, что в тексте диссертации приставка "сверх-" означает, что не медленнее, чем в пикосекундном диапазоне времен. Значительно возросла эффективность исследований сверхбыстрых взаимодействий неравновесных носителей заряда между собой, с фононами, фотонами и т.д. [5]. Чтобы представить многообразие экспериментально и теоретически исследуемых сверхбыстрых процессов в полупроводниках назовем лишь некоторые из них. Это, например, излучательная рекомбинация носителей заряда [6], комбинационное рассеяние света с участием элементарных коллективных возбуждений (плазмонов и продольных оптических фононов) [7,8], внутри-зонная релаксация высокоэнергетичных носителей [9,10], эффект узкого фо-нонного горла [11,12], дефазирование межзонной и внутризонной поляризаций, междолинные переходы носителей с участием фононов, оптический эффект Штарка, фотонное эхо, возбуждение когерентных фононов, осцилляции Блоха [5] и т.д.

Предлагаемая диссертационная работа относится к ещё одной области исследований сверхбыстрых процессов в полупроводниках. Это исследования интенсивной пикосекундной суперлюминесценции и её сверхбыстрого взаимодействия с плотной электронно-дырочной плазмой в прямозонном полупроводнике, возбуждаемом мощным сверхкоротким импульсом света. Ис-

следования в этой области посвящены столь актуальным проблемам, как сверхбыстрое возникновение и релаксация стимулированного рекомбинаци-онного излучения и влияние этого излучения на сверхбыструю эволюцию электронно-дырочной плазмы. К настоящему времени, например, уже экспериментально доказано существенное влияние такого излучения на эволюцию плазмы при её взаимодействии с внешним сильным электромагнитным полем сверхкоротких световых импульсов накачки [13,14], при взаимодействии плазмы с фононами [15], при внутризонном поглощении света [16]. Обнаружено влияние этого излучения на возникновение отклонений от фермиевско-го распределения носителей заряда [17-19], возникновение комбинационного рассеяния с участием плазмонов [8] и т.д. Названные взаимодействия, в которых существенное значение имеет стимулированное рекомбинационное излучение, отображаются в сверхбыстрых обратимых изменениях концентрации и температуры плазмы, спектра оптической прозрачности, появлении нетривиальной корреляционной зависимости энергии излучения от сверхкороткого интервала между импульсами накачки, изменениях ширины запрещенной зоны, изменениях скорости сверхбыстрой рекомбинации неравновесных носителей заряда и пр. Так что вышеприведенная область исследований представляется безусловно актуальной для развития кинетики нелинейных сверхбыстрых процессов в полупроводнике, возбуждаемых собственным интенсивным стимулированным рекомбинационным излучением, или протекающих при его существенном влиянии.

Цель работы. Диссертация посвящена исследованию интенсивной пи-косекундной суперлюминесценции, возникающей в ОаАв при межзонном поглощении мощного короткого импульса света, и её влиянию на изменение прозрачности ваЛв.

При межзонном поглощении мощных пикосекундных импульсов света с энергией фотона Ьюеч, близкой к ширине запрещенной зоны Ее, фотовозбужденные носители рождаются холодными, и можно было бы ожидать, что поглощение возбуждающего света будет продолжаться до тех пор, пока не

выровняются заселенности верхнего и нижнего резонансного уровня (пока не установится состояние насыщения). Соответственно прозрачность образца должна монотонно возрастать со временем, достигая наибольшего значения к моменту установления насыщения, далее до конца возбуждающего импульса оставаться неизменным, а затем медленно спадать в процессе спонтанной рекомбинации фотовозбужденных носителей заряда.

Однако в эксперименте [20] был обнаружен, существенно отличный от вышеописанного характер просветления тонкого эпитаксиального слоя арсе-нида галлия. Здесь и далее, для краткости, просветлением мы будем называть увеличение прозрачности полупроводника вследствие фотогенерации неравновесных носителей. Когда в опытах [20] энергия возбуждающего импульса WCJC превышала некоторое пороговое значение, то просветление возрастало и спадало почти синхронно с изменением интенсивности возбуждающего света, то есть обратимо. После импульса возбуждения наблюдалось некоторое остаточное просветление, величина которого не зависела от энергии W„ возбуждающего импульса, тогда как дополнительный (обратимо изменяющийся) вклад в просветление, не насыщаясь возрастал с увеличением ЭНерГИИ Wex-

В работе [21] были названы две возможные причины, определяющие состояние носителей после импульса. Первая - это насыщение прозрачности при выполнении условия щ - ць = где ц,, и щ, - квазиуровни Ферми, соответственно, электронов и дырок. Вторая возможная причина - это реком-бинационная суперлюминесценция, понимаемая здесь как усиленное спонтанное излучение в активной среде без резонатора. Возникновение суперлюминесценции возможно при энергии tuo, её фотонов, находящейся в интервале (i,. - >hco,> Eg, поскольку именно в этом спектральном диапазоне происходит усиление рекомбинационного излучения благодаря инверсии заселеи-ностей носителей в полупроводнике.

Для того, чтобы выяснить, что же определяет состояние носителей после импульса, нами были выполнены эксперименты, обнаружившие, что ос-

таточное после импульса состояние носителей в ваАБ образуется под влиянием суперлюминесценции, аномально быстро возникающей во время импульса и релаксирующей в пикосекундном диапазоне времен. Это, в свою очередь, стимулировало наши дальнейшие исследования влияния такой пи-косекундной суперлюминесценции на обратимое просветление тонкого эпи-таксиального слоя СаАз. При этом были обнаружены и исследованы сверхбыстрые оптоэлектронные процессы, возникавшие под влиянием пикосе-кундной суперлюминесценции в СаАэ, возбуждаемом мощным пикосекунд-ным импульсом света. Описание и результаты этих исследований, включая исследование суперлюминесценции, стали предметом данной диссертации.

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

- было обнаружено, что остаточное просветление ваАв не зависит от энергии фотона Ьсосх мощного пикосекундного возбуждающего полупроводник импульса света, и спектр остаточного просветления отображает установление определенного "универсального" состояния электронно-дырочной плазмы;

- обнаружено аномально быстрое возникновение интенсивной суперлюминесценции из слоя СаАэ, возбуждаемого мощным пикосекундным импульсом света;

- доказана преимущественная направленность обнаруженной пикосекунд-ной суперлюминесценции вдоль слоя СэАб;

- обнаружено влияние разогрева носителей, вызванного внутризонным поглощением света, на обратимое пикосекундное просветление ваАя;

- обнаружена аномальная зависимость обратимого просветления от энергии возбуждающего фотона Ьюсм вызванная комбинированным влиянием на просветление разогрева носителей из-за внутризонного поглощения света и разогрева, обусловленного суперлюминесценцией;

- исследовано влияние предварительного просветления на обратимое изменение прозрачности;

- обнаружено, что при разнообразном изменении параметров возбуждающего импульса энергия фотона длинноволнового края спектра суперлюминесценции изменяется как единая функция от плотности энергии суперлюминесценции;

- обнаружено, что при суперлюминесценции полная концентрация пар электронов и дырок, генерированных пикосекундным импульсом света, становится единственным параметром, определяющим распределение электронов между Г6 и Ь6-долинами, соответствующее сужение ширины запрещенной зоны и частоту связанных колебаний оптического плазмона и LO-фонона.

Практическая ценность. Результаты представленных в диссертации исследований могут оказаться полезными при разработке полупроводниковых лазеров и суперлюминесцентных диодов, предназначаемых для генерации импульсов с частотой ~ 100 ГГц, оптоэлектронных ключей, модуляторов оптической прозрачности, усилителей сверхкоротких импульсов света и, вообще, тех элементов сверхбыстродействующей полупроводниковой оптоэлсктро-ники, в которых будут использованы мощные сверхкороткие импульсы стимулированного излучения полупроводника.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990г.), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.), VII Международном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Байройт, 1991 г.), 5-ой Международной школе по лазерному применению (Вильнюс, 1991 г.), I Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993), на Международных конференциях "GAAS 99" (Мюнхен, 1999 г ) и "GAAS 2000" (Париж. 2000 г.), V Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 2001).

Публикации. По ма1ериалам диссертации опубликовано 16 работ в журналах и в материалах конференций и симпозиумов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Остаточное просветление тонкого слоя ОаАй не зависит от энергии фотона ЬсОех возбуждающего пикосекундного импульса, а спектр оста1 очного просветления отображает установление "универсального" состояния электронно-дырочной плазмы, характеризуемого только квазиуровнями Ферми электронов ц,, и дырок рн. удовлетворяющими условиям п = р и ц, - Ць = Ее при комнатной температуре.

2. При возбуждении мощным пикосекундным импульсом света в слое ваАя аномально быстро возникает интенсивная рекомбинационная суперлюминесценция. Суперлюминесценция и обратимое пикосекундное просветление возникают при одной и той же пороговой энергии возбуждающего импульса.

3. Разогрев носителей, вызванный внутризонным поглощением возбуждающего света, и разогрев, вызванный суперлюминесценцией, оказывают определяющее влияние на обратимое пикосекундное просветление ОаАв. Это доказывает правильность предложенного ранее физического механизма обратимого просветления ОаАБ.

4 Величина просветления в области значительных обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец. Наличие предварительного просветления приводит к существенному снижению пороговой энергии возбуждающего импульса.

5. При изменении параметров возбуждающего импульса энергия фотона длинноволнового края спектра суперлюминесценции изменяется как единая функция от плотности энергии суперлюминесценции.

6. При суперлюминесценции полная концентрация пар электронов и дырок, генерированных пикосекундным импульсом света, становится единственным параметром, который определяет распределение электронов между Г6 и Ь6-долинами, уменьшение ширины запрещенной зоны и частоту связанных колебаний оптического плазмона и ЬО-фонона.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 8 глав и Заключения, содержит 139 страниц, включая 46 рисунков и библиографию из 68 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность работы. Кратко описывается содержание диссертации. Приводится краткий обзор предшествоваших теоретических [12,21-23] и экспериментальных исследований [20,24,25] эволюции неравновесной электронно-дырочной плазмы при резонансном межзонном возбуждении прямозонного полупроводника мощным пикосекунд-ным импульсом света.

В первой главе описывается лазерный пикосекундный комплекс, представляющий собой модернизированную модель пикосекундного спектрофотометра, описанного в работе [26]. Комплекс имеет три канала, по которым одновременно или с регулируемой оптической задержкой распространяются световые импульсы. Соответственно, в зависимости от задач эксперимента образец мог облучаться одним, двумя или тремя импульсами. Длительность импульсов, использованных для облучения образцов, отличалась для разных экспериментов, а в целом находилась в диапазоне 11 - 40 пс. Эти импульсы получали от одновременно накачиваемых источников, выбираемых из числа следующих: два параметрических генератора света на иЫЬОз с температурной перестройкой длины волны каждого в диапазоне от 0,66 до 2,7 мкм, параметрического генератора света на КОР с перестройкой длины волны от 0,78 до 1,67 мкм и генератора светового континуума в диапазоне длин волн 0,38-1,3 мкм. Один или два импульса использовались для возбуждения образца. Третий импульс использовался в качестве зондирующего, если измерения проводились по методике "ехске-ргоЬе". 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 исследования [271, в котором было экспериментально обнаружено, что по окончании возбуждения (накачки) тонкого (~1мкм) слоя ОаАв пикосекундным импульсом света спектр остаточного просветления СаАв не зависит от энергии фотона возбуждающего импульса Лсоеч. Это в свою очередь выявило, что после импульса устанавливается некоторое универсальное пороговое состояние фотогенерированной электронно-дырочной плазмы.

Опыты, как и все эксперименты диссертационной работы, были выполнены при комнатной температуре. При межзонном поглощении мощного пикосекундного импульса света в ОаАз генерировалась плотная горячая электронно-дырочная плазма. По методике "ехске-ргоЬе" измерялись спектры просветления возбуждаемой области слоя ОаАБ. Под просветлением понимается увеличение прозрачности образца при генерации в нем неравновесных носителей.

Ранее в работе [20] было обнаружено, что при возбуждении ОаАя импульсом, интегральная энергия которого АЛ^ превышала некоторое пороговое значение \У,ь, изменение просветления со временем в пикосекундном диапазоне имело обратимый характер. То есть просветление возрастало и спадало почти синхронно с изменением интенсивности возбуждающего света. После импульса возбуждения наблюдалось некоторое остаточное просветление, величина которого не зависела от энергии возбуждающего импульса \УСХ.

Обнаруженная в наших опытах независимость спектра остаточного просветления от доказывала, что состояние носителей после сверхкороткого импульса накачки не является состоянием насыщения прозрачности, при котором расстояние между квазиуровнями Ферми электронов и дырок Ни должно удовлетворять условию (,1с - = йсосх. Анализ спектра остаточного просветления привел к заключению, что этому спектру соответствует та-

кое состояние электронно-дырочной плазмы, при котором температура плазмы равна комнатной температуре (которую имеет и кристаллическая решетка), а расстояние между квазиуровнями Ферми удовлетворяет условию Не - щ = Е8, где Ек - ширина запрещенной зоны ОаАБ. Это означало, что после импульса устанавливается состояние с максимальной концентрацией электронно-дырочных пар, при которой еще отсутствует инверсия заселен-ностей. Такое состояние можно назвать пороговым. Оно является универсальным в гом смысле, что не зависит ни от энергии фотона 1кооч, ни от интегральной энергии возбуждающего импульса

Установление после накачки порогового состояния позволило предположить следующее. Во время накачки пикосекундным импульсом с энергией и Ьй)сх>Ее в СаАв возникает инверсия населенностей носителей заряда. Это приводит к возникновению суперлюминесценции, которая настолько быстро сбрасывает избыточную концентрацию носителей, что после импульса устанавливается пороговое состояние. Это предположение получило подтверждение в наших дальнейших исследованиях.

Третья глава посвящена описанию исследований, обнаруживших аномально быстрое возникновение интенсивной суперлюминесценции в арсени-де галлия, возбуждаемом мощным пикосекундным импульсом света. Под суперлюминесценцией здесь понимается усиленное спонтанное излучение в активной среде без резонатора. Теоретический анализ экспериментального спектра обратимого просветления арсенида галлия, измеренного при синхронном зондировании в работе [27], показал, что во время действия импульса накачки существует спектральная область усиления света с шириной - 38 мэВ. Оценка соответствующего усиления спонтанного излучения подтверждала, что на пикосекундных временах действительно может развиваться интенсивная рекомбинационная суперлюминесценция. Она, естественно, должно существенно влиять на параметры электронно-дырочной плазмы, что и подтвердилось в наших дальнейших исследованиях.

Интенсивное рекомбинационное излучение из слоя СаАв действительно было обнаружено в работе [28]. Ширина спектра излучения оказалась существенно меньше ширины спектра спонтанного излучения. Излучение имело тот же порог появления по энергии \¥сх, что и обратимое просветление из образца. Спектр этого излучения располагался при энергии фотонов Ью, < Ее°, где Е6° - ширина запрещенной зоны невозбужденного образца. Максимум спектра рос и смещался, как и длинноволновая граница спектра, в длинноволновую область при увеличении энергии возбуждающего импульса и',.,, В пикосекундном диапазоне времен была обнаружена нетривиальная корреляционная зависимость энергии излучения от времени задержки Та между двумя импульсами накачки. При Та = 0 на зависимости энергии излучения с фиксированной энергией фоюна располагался минимум.

Характеристики обнаруженного излучения позволили интерпретировать его, как аномально быстро возникающую рекомбинационную суперлюминесценцию. Совпадение порогов появления суперлюминесценции и обратимого просветления дало существенное подтверждение возникновения обратимого просветления при появлении суперлюминесценции.

Четвертая глава посвящена описанному в работе [18] эксперименту по исследованию пространственной направленности суперлюминесцентного излучения, возникающего в слое СаАв при накачке его мощными пикосе-кундным'и импульсами света. Суперлюминесценция по своей природе является стимулированным излучением. Одним из важнейших признаков стимулированного излучения, генерируемого в тонком слое полупроводника, является направленность в пространстве. Стимулированное излучение, выходящее из активной области слоя баАв, должно иметь максимальную интенсивность в том направлении, в котором максимально усиливается исходное спонтанное излучение, то есть вдоль гетероструктуры. Чтобы обнаружить это качество в исследуемом излучении, была измерена диаграмма направленности излучения фотовозбужденного ваЛв из гетероструктуры А1хОа|. чАя-СаА5-А1чОа|^А5. полностью отделенной от подложки. Слои АКОа^Ав

были прозрачны для света, используемого в эксперименте. На обе поверхности гетероструктуры (параллельные её эпитаксиальным слоям) было нанесено антиотражающее покрытие. На измеренной диаграмме направленности была действительно обнаружена преимущественная направленность излучения вдоль гетероструктуры. Таким образом была экспериментально доказана анизотропия потока излучения, характерная для стимулированного излучения.

Пятая глава посвящена исследованию [16], в котором было экспериментально обнаружено влияние разогрева носителей, вызванного внутризон-ным поглощением света, на обратимое просветление арсенида галлия. Это доказывало правильность предложенного в [21] физического механизма обратимого просветления ваЛв, суть которого состояла в следующем.

Температура электронно-дырочной плазмы Тс, определенная по экспериментальным спектрам просветления, во время накачки оказалась существенно выше комнатной температуры, при которой проводились опыты. Из этого следует, что во время накачки происходил разогрев плазмы. Температура плазмы Тс обратимо менялась во времени, также как просветление. Когда энергия фотона лишь слегка превышала Ее, то в качестве причины разогрева плазмы было названо внутризонное поглощение возбуждающего света. Внутризонный разогрев может быть существенным благодаря тому, что темп остывания электронно-дырочной плазмы при достигнутых концентрациях носителей п = р > 1018 см"3 значительно понижен [12]. Причиной замедления охлаждения плазмы предположительно является разогрев продольных оптических фононов, которые в некотором интервале волновых векторов приходят с плазмой в равновесие. При этом охлаждение плазмы на таких фононах происходит уже только по мере их распада на акустические фононы. Благодаря рекомбинационной суперлюминесценции, во время накачки расстояние между квазиуровнями рс и Ць не может существенно превышать Е8. Выполнение условия це - « при обратимом изменении температуры Тс означает, что и концентрация плазмы обратимо изменяется во

времени. Взаимосвязанное обратимое изменение концентрации и температуры плазмы сопровождается обратимым изменением заселенностей носителями энергетических уровней, что и приводит к обратимому в пикосекунд-ном диапазоне просветлению ОаАБ.

Влияние внутризонного разогрева на обратимое просветление было доказано в нашем специально проделанном эксперименте [16]. Помимо возбуждающего и зондирующего импульсов на образец ещё воздействовал греющий импульс с энергией фотона, меньшей ширины запрещенной зоны. Сравнение просветления, возникавшего при одновременном облучении образца возбуждающим и греющим импульсами, с просветлением при облучении только возбуждающим импульсом обнаружило, что добавление греющего импульса приводило к возрастанию обратимого просветления. Обработка экспериментальных спектров просветления показала, что греющий импульс повышал температуру носителей примерно на 40К и при этом Цс - |Л|, ~ Тем самым было получено существенное доказательство правильности предложенного в [21] механизма обратимого пикосекундного просветления.

Шестая глава посвящена изложению работы [29], в которой было получено экспериментальное доказательство влияния на обратимое пикосе-кундное просветление разогрева плазмы, вызванного суперлюминесценцией. При этом был обнаружен несколько аномальный характер зависимости обратимого просветления от энергии возбуждающего фотона что было вызвано комбинированным влиянием на просветление разогрева носителей из-за внутризонного по! лощения света и разогрева, обусловленного суперлюминесценцией.

Каждая отдельная зависимость просветления от Ьшсх измерялась по методу "ехсие-ргоЬе" при постоянной (для каждой зависимости) интегральной энергии возбуждающего импульса У/^, фиксированной энергии кванта зондирующего импульса Ьсор>Ег и задержке зондирующего импульса относительно возбуждающего т^ = 7 не. При такой задержке достигается максимум на зависимости обратимого вклада в просветление от т1), и она примерно

совпадает с динамическим временем релаксации плазмы при взаимодействии с решеткой [12]. Опыты, как и все описанные в диссертации эксперименты, проводились при комнатной температуре.

Экспериментальные зависимости демонстрировали возрастание просветления с ростом ЬсОех и \Уех. При этом в области обратимого изменения прозрачности на зависимости просветления от Ьсоех обнаружилась неизвестная ранее особенность - отчетливое плато в области энергий фотонов Ьюех, близких к Ее.

Появление плато на зависимостях просветления от Ьшех объясняется тем, что при энергии возбуждающего фотона близкой к ширине запрещенной зоны, основным механизмом разогрева является внутризонный разогрев, величина которого в исследованной области Ьюех почти не зависит от энергии фотона [30,31].

Причиной следующего после плато роста просветления с Ьшсч было существенное возрастание вклада второго механизма разогрева, связанного с суперлюминесценцией. 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 Ь(оех - Е8, что и создает дополнительный разогрев плазмы при суперлюминесценции.

Был выполнен расчет зависимости просветления от Ьсоеч, учитывающий оба вышеназванных механизма разогрева плазмы. При этом принималось, что в максимуме просветления имеется состояние, характеризуемое условиями Це - (Хи = Ее, п = р. Расчетные зависимости удовлетворительно согласовывались с экспериментальным. Дополнительно отметим, что рассчитанная в той же модели зависимость обратимого просветления от \Уеч 113] имела тот же квазилинейный характер, что был экспериментально обнаружен в [20], и тем самым позволила объяснить его.

Седьмая 1лава посвящена исследованию влияния предварительного просветления на обратимое изменение прозрачности арсенида галлия [29]. Предварительное просветление создавалось при межзонном поглощении в ОаАэ вспомогательного импульса, опережавшего возбуждающий на - 80 пс. Длительность вспомогательного импульса, как и длительность возбуждающего и зондирующего импульсов, была — 11 пс. Результаты экспериментов позволили сформулировать следующие выводы.

Во-первых, наличие предварительного просветления приводит к существенному снижению пороговой энергии возбуждающего импульса, при превышении которой изменение просветления со временем приобретает обратимый характер. Это связано с тем, что по окончании одного импульса электронно-дырочная плазма находится в пороговом состоянии, так что поглощаемая энергия следующего импульса будет целиком идти на создание обратимого вклада в просветление.

Во-вторых, если энергия возбуждающего импульса существенно превышает пороговую энергию, так что сама по себе достаточна для создания существенного обратимого просветления, то на величине обратимого вклада в просветление практически не сказывается наличие предварительного просветления от предшествующего импульса. Это показывает, что величина просветления в области значительных обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец.

Вышеназванные, экспериментально установленные свойства обратимого просветления существенны для практического использования пикосе-кундного обратимого просветления ваАв, и в то же время являются новым проявлением и подтверждением механизма обратимого просветления.

Восьмая глава посвящена исследованию распределения электронов между долинами и сужения запрещенной зоны при пикосекундной суперлюминесценции в ОаАв [32]. Было экспериментально доказано, что при суперлюминесценции полная концентрация пар электронов и дырок, генериро-

ванных пикосекундным импульсом света, становится единственным параметром, определяющим распределение электронов между Г6 и Ц-долинами и соответствующее сужение ширины запрещенной зоны, а также частоту связанных колебаний оптического плазмона и Ш-фонона.

Экспериментально исследовалось изменение ширины запрещенной зоны Ев при изменении концентрации (>1018 см'3) и температуры (>300 К) электронно-дырочной плазмы. Плазма создавалась в тонком слое ваАя при межзонном поглощении мощного возбуждающего импульса света длительностью 14 пс. В наших опытах сужение запрещенной зоны отображал сдвиг длинноволнового края Ью5е спектра суперлюминесценции.

Сужение запрещенной зоны Ее происходит за счет кулоновского взаимодействия между носителями заряда [33,34]. Экспериментально полученная зависимость ширины запрещенной зоны Е^ от концентрации носителей заряда оказалась чересчур слабой при больших концентрациях плазмы. Это было объяснено тем, что в условиях суперлюминесценции увеличение концентрации носителей приводит к увеличению температуры электронно-дырочной плазмы, так что всё большая часть электронов оказывается в Ц-долине, тогда как сужение запрещенной зоны определяется в основном электронами Г6-долины. Сравнение результатов расчета и эксперимента подтвердило это предположение. При расчете предполагалось, что энергетическое распределение носителей близко к пороговому, при котором расстояние между квазиуровнями Ферми электронов Це и дырок р.), равно ширине запрещенной зоны: ре - ц„ = Ее.

Другое следствие вышеописанного перераспределения электронов между долинами связано с отмеченными в работе [8] особенностями в зависимости интегральной энергии суперлюминесценции от энергии кванта возбуждающего света Эти особенности были интерпретированы как усиление рекомбинационной суперлюминесценции в результате стимулированного ею комбинационного рассеяния возбуждающего света на связанных плаз-мон-фононных колебаниях. Определенная из эксперимента [8] при таком

предположении частота колебаний, согласовывалась с частотой связанных колебаний оптического плазмона и ЬО-фонона, при расчете которой учитывалось распределение электронов между долинами при суперлюминесценции.

Было также обнаружено новое свойство пикосекундной суперлюминесценции. При изменении параметров возбуждающего импульса (энергии фотона Ьюеч, диаметра луча и средней по сечению луча плотности энергии) энергия фотона длинноволнового края спектра суперлюминесценции изменялась приблизительно как единая функция от плотности энергии суперлюминесценции Б,. Здесь имеется в виду интегральный по времени спектр пикосекундной суперлюминесценции и интегральная по спектру, средняя по облучаемой площади слоя СэАб плотность

Чтобы объяснить обнаруженную зависимость Ьт5с(Оч), было сделано предположение, что плотность излучения Б, примерно пропорциональна концентрации фотогенерированных пар электронов и дырок:

Э, ~ р = п = П|- + П1,

где р - суммарная концентрация тяжелых и легких дырок; п, п( и п( - концентрации электронов, соответственно, полная и в долинах Г6 и Ц. Тогда можно предполагать, что зависимость йа>,е(04) отображает сдвиг длинноволнового края спектра излучения, вызванный сужением запрещенной зоны Е8 при увеличении концентрации электронно-дырочной плазмы. Обнаруженное совпадение зависимостей ЬсоДЭ*) и Е?(п) подтвердило это предположение.

ВЫВОДЫ

Перечислим новые физические результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Обнаружено, что остаточное просветление ОаАв не зависит от энергии фотона Ьшсх возбуждающего пикосекундного импульса, а спектр остаточного просветления отображает установление "универсального" со-

стояния электронно-дырочной плазмы, характеризуемого только температурой решетки и квазиуровнями Ферми электронов ^ и дырок щ, удовлетворяющими условиям п = р и це - й) = Это означает , что после импульса устанавливается состояние с максимальной концентрацией электронно-дырочных пар, при которой ещё отсутствует инверсия заселённостей. Такое состояние плазмы, как и соответствующий ему спектр просветления, можно назвать пороговым.

2. Обнаружено интенсивное рекомбинационное излучение из слоя ОаАв, возбуждаемого мощным пикосекундным импульсом света. Порог появления излучения и обратимого просветления оказался одним и тем же, т.е. излучение возникало, если энергия возбуждающего импульса превышала В пикосекундном диапазоне времен была обнаружена нетривиальная корреляционная зависимость энергии излучения от времени задержки между двумя импульсами накачки. Обнаружена преимущественная направленность излучения вдоль слоя ОаАБ. Характеристики обнаруженного излучения позволили интерпретировать его, как аномально быстро возникающую суперлюминесценцию. В значительной степени благодаря этой суперлюминесценции происходило обратимое пикосекундное просветление фотовозбуждаемого ОаАБ, а затем устанавливалось пороговое состояние.

3. Экспериментально обнаружено влияние разогрева носителей, вызванного внутризонным поглощением света, на обратимое пикосекундное просветление ОаАэ. Это доказало правильность предложенного в [21] физического механизма обратимого просветления ОэАб.

4. Экспериментально обнаружено влияние на обратимое пикосекундное просветление разогрева плазмы, вызванного суперлюминесценцией. При этом обнаружен аномальный характер зависимости обратимого просветления от энергии возбуждающего фотона вызванный комбинированным влиянием на просветление разогрева носителей из-

за внутризонного поглощения света и разогрева, обусловленного суперлюминесценцией.

5. Экспериментально доказано, что величина просветления в области значительных обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец. Наличие предварительного просветления приводит к существенному снижению пороговой энергии возбуждающего импульса.

6. Экспериментально обнаружено следующее характерное свойство пи-косекундной суперлюминесценции. При изменении параметров возбуждающего импульса энергия фотона длинноволнового края спектра суперлюминесценции изменяется как единая функция от плотности энергии суперлюминесценции.

7. Обнаружено, что при суперлюминесценции полная концентрация пар электронов и дырок, генерированных пикосекундным импульсом света, становится единственным параметром, определяющим распределение электронов между Г6 и Ь()-долинами и соответствующее сужение ширины запрещенной зоны, а также частоту связанных колебаний оптического плазмона и ЬО-фонона.

Важно подчеркнуть, что перечисленные выше результаты диссертационной работы одновременно подтверждали, что в ОаАэ при интенсивной ни-косекундной суперлюминесценции допустимо приближённо принимать, что состояние многокомпонентной электронно-дырочной плазмы удовлетворяет условию - (Лн * Ее.

Поскольку СаАв является прямозонным полупроводником, то можно предполагать, что обнаруженные нами эффекты характерны для данного класса соединений. Это, в частности, подтверждают опыты [35] со сплавом Са,1п|АА55Р|.>, выполненные после наших экспериментов.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

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

2. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Dyadyushkin E.G., Mironov V.A., Kumekov S.E., РегеГ V.I. Superluminescence and brightening of gallium arsenide under interband absorption of picosecond light pulses. - Solid State Commun. 1989, 72, № 7, pp.625-629.

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

4. Агеева H.H., Броневой И.Л., Миронов B.A., Кумеков С.Е., Перель В.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, 4.2, с.З.

5. 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 оптики. Тезисы докладов. Ленинград, 1991, ч. II, с. 41.

6. Ageeva N.N., Bronevoi I.L.. Kumekov S.E.. Mironov 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. Phys. Conf. Ser. № 126. - Bristol and Philadelphia: IOP Publishing Ltd., 1992, pp. 343-344.

7. Ageeva N.N., Bronevoi I.L.. Gadonas R., Kumekov S.E., Mironov V.A., PereF 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. 1991, pp.116-123.

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

9. Ageeva N N.. Bronevoi I.L., Mironov V A., Kumekov S.E., Perel' V.I. 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, Proc. SPIE 1841, pp.73-85 (1992).

10. Агеева H.H.. Броневой И.Л., Кумеков C.E., Миронов В.А., Перель В.И. Обратимое с пикосекундной инерционностью нелинейное пороговое просветление GaAs. Тезисы докладов I Российской конференции по физике полупроводников, Н.Новгород, 1993, т.1, стр.157.

11 Агеева Н.Н., Броневой И Л., Кривоносое А.Н., Кумеков С.Е., Перель В.И Обратимое с пикосекундной инерционностью пороговое просветление арсенида галлия под действием импульса света с энергией фотонов, близкой к ширине запрещенной зоны. - Известия Академии Наук, серия физическая, 1994, т. 58. №7, с. 89-96.

12 Ageeva N.N.. Bronevoi I.L, Kalafati Yu D., Krivonosov AN High-speed optoelectronic effects arising under intensive picosecond stimulated emission in GaAs. - GAAS 99 Conference Proceedings. Published by Microwave Engineering Europe,Munich, 1999, pp. 121-126.

13. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Krivonosov A.N. Interconnection between the picosecond stimulated recombination emission and kinetics of dense hot electron-hole plasma in GaAs. GAAS 2000 Conference Proceedings. Published by Microwave Engineering Europe, Paris, 2000, pp.326-329.

14. Агеева H.H., Броневой И.Л., Кривоносое А.Н. Распределение электронов между долинами и сужение запрещенной зоны при пикосекундной суперлюминесценции в GaAs. ФТП, 2001, т. 35, в. 1, с. 65-69.

15. Агеева H.H., Броневой И.Л., Кривоносое А.Н., Кумеков С.Е. Распределение электронов между долинами, сужение запрещенной зоны и энергия оптического плазмона при пикосекундной суперлюминесценции в GaAs. Тезисы докладов V Российской конференции по физике полупроводников, Н.Новгород, 2001, т.2, стр.265.

16 Агеева H.H., Броневой И.Л., Кривоносое А.Н., Кумеков С Е , Стеганцов C.B. «LO-фононная корреляция между спектром пикосекундной суперлюминесценции и особенностями спектра поглощения света в GaAs при неферми-евском распределении носителей заряда, генерированных пикосекундным импульсом света - ФТП, 2002, т. 36, в. 2, с. 144-148.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Ахманов С.А., Выслоух В.А.. Чиркин A.C. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. - М.: Наука, 1988, 310 с.

3. Херман Й., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов.

- М.: Мир, 1986, 386 с.

4. Данелюс Р., Пискарскас А., Сируткайтис В., Стабинис А., Ясевичюте Я. Параметрические генераторы света и пикосекундная спектроскопия.

- Вильнюс: Мокслас, 1983,185 с.

5. Rossi F., Kuhn Т. Theory of ultrafast phenomena in photoexcited semiconductors. - Reviews of Modern Physics, 2002,74, № 3, pp. 895-950.

6. Калафаш Ю.Д., Кокин B.A. Пикосекундные процессы релаксации в полупроводниковом лазере, возбужденном мощным ультракоротким импульсом света. -ЖЭТФ, 1991, т.99, в.6, стр.1793-1803.

7. Рассеяние света в твердых телах. Выпуск III. Под ред. М. Кардоны, Г. Гюнтеродта. - М.: Мир, 1985, 312 с.

8. Bronevoi I.L., Krivonosov A.N., PereP V.I. Effect of plasmon assisted stimulated raman scattering on the reversible bleaching of gallium arsenide by a high power picosecond light pulse. - Solid State Commun. 1995,94, № 5, ppJ63-368.

9. Rash J.A. Carrier-carrier scattering in GaAs: Quantitative measurements from hot (e, A0) luminescence. - Phys. Rev. B, 1989, 40, № 5, pp. 34553458.

10. Mirlin D.N., РегеГ V.I. Hot-Electron Photoluminescence under Continuous-Wave Pumping. - Spectroscopy of Nonequilibrium Electrons and Phonons, Edited by C.V. Shank and B.P. Zakharchenya, 1992, chapter 7, pp. 269-325.

11. Kocevar P. Hot phonon dynamics. - Pbysica, 1985,134 B, pp.155-163.

12. Кумеков C.E., Перель В.И. Энергетическая релаксация электрон-фононной системы полупроводника в стационарном и динамическом режимах. - ЖЭТФ, 1988, т.94, в.1, стр.346-356.

13. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Mironov V.A., Kumekov S.E., РегеГ V.I. 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, Proc. SPIE 1841, pp.73-85 (1992).

14. Агеева H.H., Броневой ИЛ., Кривоносое А.Н., Кумеков С.Е., Перель В.И. Обратимое с пикосекундной инерционностью пороговое просветление арсенида галлия под действием импульса света с энергией фотонов, близкой к ширине запрещенной зоны. - Известия Академии Наук, * серия физическая, 1994, т. 58, № 7, с. 89-96.

15. Броневой И.Л., Кривоносое А.Н. Влияние энергетического транспорта электронов путем излучения оптических фононов на суперлюминесценцию и обратимое просветление тонкого слоя GaAs, возбуждаемого мощным пикосекундным импульсом света. - ФТП, 1999, т. 33, в. 1, с.13-18.

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

17. Алтыбаев Г.С., Броневой И.Л., Кумеков C.E. Выступ на спектрах поглощения GaAs, возбужденного мощными пикосекундными импульсами света. - ФТП, 2004, т. 38, в. 6, с. 674-677.

18. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Кривоносое А.Н., Кумеков С.Е., Стеганцов С.В. "LO-фононная корреляция между спектром пикосекундной суперлюминесценции и особенностями спектра поглощения света в GaAs при нефермиевском распределении носителей заряда, генерированных пикосекундным импульсом света. - ФТП, 2002, т. 36, в. 2, с.144-148.

19. Bronevoi I.L., Krivonosov A.N., Perel' V.I. Phonon oscillations in the spectrum of the reversible bleaching of gallium arsenide under interband absorption of a high-power picosecond light pulse. - Solid State Commun. 1995, 94, № 9, pp.805-808.

20. Броневой И.Л., Гадонас P.A., Красаускас В.В., Лифшиц Т.М., Пискар-скас 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.8, с.322-325.

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

22. Крохин О.Н. Коэффициент усиления и эффект насыщения в полупроводниках при однородном возбуждении. - ФТТ, 1965, т. 7, в. 9, с. 26122619.

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

24. Брюкнер Ф., Васильев Я.Т., Днепровский B.C., Кощуг Д.Г., Силина Е.К., Хаттатов В.У. Самоиндуцированная прозрачность в полупроводнике, ЖЭТФ, 1974, т. 67, в. 6(12), с. 2219-2226.

25. Miller A., Manning R. J., Fox A.M., Marsh J. H. High excitation electron dynamic in GalnAsP. A digest of technical papers presented at the Topical Meeting on Ultrafast Phenomena. - Monterey, California, 1984, TuE20-l.

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

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

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

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

30. Blakemore J.S. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide. - J. Appl. Phys. 1982, 53, № 10, pp. R123-181.

31. Haga E., Kimura H. Free-Carrier Infrared Absorption in lll-V Semiconductors IV. Inter-Conduction Band Transitions. - Journal of the Physical Society of Japan 1964,19, № 9, pp. 1596-1606.

32. Агеева H.H., Броневой И.Л., Кривоносов A.H. Распределение электронов между долинами и сужение запрещенной зоны при пикосекундной суперлюминесценции в GaAs. ФТП, 2001, т. 35, в. 1, с. 65-69.

Tarucha S., Kobayashi H., Horikoshi Y., Okamoto H. Carrier-Induced Energy-Gap Shrinkage in Current-Injection GaAs/AlGaAs MQW Heterostructures. - Jpn. J. Appl. Phys., 1984, 23, № 7, pp. 874-878. Райе Т., Хенсел Дж., Филлипс Т., Томас Г. Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках. - М., Мир, 1980, 349 с. Fox A.M., Manning R.J., Miller A. Picosecond relaxation mechanism in highly excited GalnAsP.- J. Appl. Phys. 1989, 65, №11, pp. 4287-4298.

Информационно-издательский центр Академии I руда п социальных отношении

Заказ № 27 Объём 1, 7 п.л. Тираж 70 экз.

Типография АТнСО

*Î -89 M

РНБ Русский фонд

2006^4 4370

л

ВВЕДЕНИЕ

§1. Краткое содержание диссертации

§2. Краткий обзор

§3. Основные положения, выносимые на защиту

ГЛАВА 1 ЛАЗЕРНЫЙ ПИКОСЕКУНДНЫЙ КОМПЛЕКС

§1.1. Структура лазерного комплекса

§1.2. Задающий лазер

§1.3. Система усиления

§1.4. Генерация второй гармоники

§1.5. Генератор пикосекундного светового континуума

§1.6. Параметрические генераторы света бегущей волны

§1.7. Спектрофотометрическая схема

§1.8. Автоматизированная система регистрации и управления.

§1.9. Методика обработки данных и управления экспериментом

ГЛАВА 2 "УНИВЕРСАЛЬНОЕ" ОСТАТОЧНОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ПОСЛЕ НАКАЧКИ МОЩНЫМ ПИКОСЕКУНДНЫМ ИМПУЛЬСОМ СВЕТА

ГЛАВА 3 ПИКОСЕКУНДНАЯ СУПЕР ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

ГЛАВА 4 НАПРАВЛЕННОСТЬ ПИКОСЕКУНДНОЙ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ ВНУТРИЗОННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА НА ОБРАТИМОЕ ПИКОСЕКУНДНОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

ГЛАВА 6 АНОМАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ОБРАТИМОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ОТ ЭНЕРГИИ КВАНТА ВОЗБУЖДАЮЩЕГО ПИКОСЕКУНДНОГО ИМ

ПУЛЬСА СВЕТА

ГЛАВА 7 ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ

GaAs НА ОБРАТИМОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЗРАЧНОСТИ

ГЛАВА 8 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ МЕЖДУ ДОЛИНАМИ И СУЖЕНИЕ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПРИ ПИКО

СЕКУНДНОЙ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В GaAs

Исследование сверхбыстрых процессов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах является одним из актуальных направлений физики полупроводников. Возможность для таких исследований создает, прежде всего, развитие пико - и фемтосекундной лазерной техники [1-3] и, что было особенно важно для выполнения настоящей диссертационной работы, развитие техники параметрической генерации сверхкоротких импульсов света [4]. Благодаря такому прогрессу лазерной физики в огромной мере расширились возможности возбуждения сверхбыстрых процессов в полупроводниках и исследования этих процессов со сверхвысоким разрешением во времени, в частности, методами сверхбыстрой оптической спектроскопии [4]. Поясним, что в тексте диссертации приставка "сверх-" означает, что не медленнее, чем в пикосекундном диапазоне времен. Значительно возросла эффективность исследований сверхбыстрых взаимодействий неравновесных носителей заряда между собой, с фононами, фотонами и т.д. [5]. Чтобы представить многообразие экспериментально и теоретически исследуемых сверхбыстрых процессов в полупроводниках назовем лишь некоторые из них. Это, например, излучательная рекомбинация носителей заряда [6], комбинационное рассеяние света с участием элементарных коллективных возбуждений (плазмонов и продольных оптических фононов) [7,8], внутризонная релаксация высокоэнергетичных носителей [9,10], эффект узкого фононного горла [11,12], дефазирование межзонной и внутризонной поляризаций, междолинные переходы носителей с участием фононов, оптический эффект Штарка, фотонное эхо, возбуждение когерентных фононов, осцилляции Блоха [5] и т.д.

Предлагаемая диссертационная работа относится к ещё одной области исследований сверхбыстрых процессов в полупроводниках. Это исследование интенсивной пикосекундной суперлюминесценции и её сверхбыстрого взаимодействия с плотной электронно-дырочной плазмой в прямозонном полупроводнике, возбуждаемом мощным сверхкоротким импульсом света. Исследования в этой области посвящены столь актуальным проблемам, как сверхбыстрое возникновение и релаксация стимулированного рекомбинаци-онного излучения и влияние этого излучения на сверхбыструю эволюцию электронно-дырочной плазмы. К настоящему времени, например, уже экспериментально доказано существенное влияние такого излучения на эволюцию плазмы при её взаимодействии с внешним сильным электро-магнитным полем сверхкоротких световых импульсов облучения [13,14], при взаимодействии плазмы с фононами [15], при внутризонном поглощении света [16]. Обнаружено влияние этого излучения на возникновение отклонений от ферми-евского распределения носителей заряда [17-19], возникновение комбинационного рассеяния с участием плазмонов [8] и т.д. Названные взаимодействия, в которых существенное значение имеет стимулированное рекомбинацион-ное излучение, отображаются в сверхбыстрых обратимых изменениях концентрации и температуры плазмы, спектра оптической прозрачности, появлении нетривиальной корреляционной зависимости энергии излучения от сверхкороткого интервала между импульсами накачки, изменениях ширины запрещенной зоны, изменениях скорости сверхбыстрой рекомбинации неравновесных носителей заряда и пр. Так что вышеприведенная область исследований представляется безусловно актуальной для развития кинетики нелинейных сверхбыстрых процессов в полупроводнике, возбуждаемых собственным интенсивным стимулированным рекомбинационным излучением, или протекающих при его существенном влиянии.

Важно отметить, что результаты исследований сверхбыстрых процессов в полупроводниках ведут не только к развитию кинетики сверхбыстрых явлений в полупроводнике, но и перспективны для практических приложений. Это относится к использованию сверхбыстрых процессов при создании оптического компьютера, волоконно-оптической связи, создании устройств сверхбыстродействующей полупроводниковой оптоэлектроники, использованию в высокотехнологичных процессах и т.д. В частности, результаты представленных в диссертации исследований могут оказаться полезными при разработке полупроводниковых лазеров и суперлюминесцентных диодов, предназначаемых для генерации импульсов с частотой >100 ГГц, оптоэлек-тронных ключей, модуляторов оптической прозрачности, усилителей сверхкоротких импульсов света и, вообще, тех элементов сверхбыстродействующей полупроводниковой оптоэлектроники, в которых будут использованы мощные сверхкороткие импульсы стимулированного излучения полупроводника. Это тоже может рассматриваться как подтверждение актуальности описанных в диссертации исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим новые физические результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Обнаружено, что остаточное просветление GaAs не зависит от энергии фотона hcoex возбуждающего пикосекундного импульса, а спектр остаточного просветления отображает установление "универсального" состояния электронно-дырочной плазмы, характеризуемого только температурой решетки и квазиуровнями Ферми электронов и дырок, удовлетворяющими условиям n = р и ре - рь = Eg. Это означает, что после импульса устанавливается состояние с максимальной концентрацией электронно-дырочных пар, при которой ещё отсутствует инверсия за-селённостей. Такое состояние плазмы, как и соответствующий ему спектр просветления, можно назвать пороговым.

2. Обнаружено интенсивное рекомбинационное излучение из слоя GaAs, возбуждаемого мощным пикосекундным импульсом света. Порог появления излучения и обратимого просветления оказался одним и тем же, т.е. суперлюминесценция возникала, если энергия возбуждающего импульса превышала Wth. В пикосекундном диапазоне времен была обнаружена нетривиальная корреляционная зависимость энергии суперлюминесценции от времени задержки между двумя импульсами накачки. Обнаружена преимущественная направленность излучения вдоль слоя GaAs. Характеристики обнаруженного излучения позволили интерпретировать его, как аномально быстро возникающую суперлюминесценцию. В значительной степени благодаря этой суперлюминесценции происходило обратимое пикосекундное просветление фото-возбуждаемого GaAs, а затем устанавливалось пороговое состояние.

3. Экспериментально обнаружено влияние разогрева носителей, вызванного внутризонным поглощением света, на обратимое пикосекундное просветление GaAs. Это доказало правильность предложенного в [24] физического механизма обратимого просветления GaAs.

4. Экспериментально обнаружено влияние на обратимое пикосекундное просветление разогрева плазмы, вызванного суперлюминесценцией. При этом обнаружен аномальный характер зависимости обратимого просветления от энергии возбуждающего фотона htoex> вызванный комбинированным влиянием на просветление разогрева носителей из-за внутризонного поглощения света и разогрева, обусловленного суперлюминесценцией.

5. Экспериментально доказано, что величина просветления в области значительных обратимых изменений прозрачности определяется интенсивностью возбуждающего импульса и практически не зависит от предшествующего светового воздействия на образец. В то же время наличие предварительного просветления приводит к существенному снижению пороговой энергии возбуждающего импульса.

6. Экспериментально обнаружено следующее характерное свойство пикосекундной суперлюминесценции. При изменении параметров возбуждающего импульса энергия фотона длинноволнового края спектра суперлюминесценции изменяется как единая функция от плотности энергии суперлюминесценции.

7. Обнаружено, что при суперлюминесценции полная концентрация пар электронов и дырок, генерированных пикосекундным импульсом света, становится единственным параметром, определяющим распределение электронов между Гб и Ь6-долинами и соответствующее сужение ширины запрещенной зоны.

Важно подчеркнуть, что перечисленные выше результаты диссертационной работы одновременно подтверждали, что при пикосекундной суперлюминесценции в GaAs допустимо приближённо принимать, что состояние многокомпонентной электронно-дырочной плазмы удовлетворяет условию

М^е ~ Ци ~ Eg.

Поскольку GaAs является прямозонным полупроводником, то можно предполагать, что все обнаруженные нами эффекты характерны для данного класса соединений. Это подтверждают опыты [44] со сплавом GaxIni.xAsyPiy, выполненные после наших экспериментов.

Можно надеяться, что результаты представленных в диссертации исследований будут содействовать развитию кинетики сверхбыстрых явлений в полупроводниках. В то же время они могут оказаться полезными и для практических приложений. Например, могут быть использованы при разработке полупроводниковых лазеров и суперлюминесцентных диодов, предназначаемых для генерации импульсов с частотой ~> 100 ГГц, оптоэлектронных ключей, модуляторов оптической прозрачности, усилителей сверхкоротких импульсов света и, вообще, тех элементов сверхбыстродействующей полупроводниковой оптоэлектроники, в которых будут использованы мощные сверхкороткие импульсы стимулированного излучения полупроводника. * *

Автор считает своим приятным долгом принести глубокую благодарность Г.Н. Шкердину за внимание и поддержку исследовательской работы, H.JI Броневому за внимательное руководство, В.И. Перелю и С.Е. Кумекову за ценное и доброжелательное сотрудничество, А.Н. Кривоносову и С.В. Стеганцову за отзывчивость и благожелательность при совместной экспериментальной деятельности.

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

2. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988, 310 с.

3. Херман И., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. -М.: Мир, 1986,386 с.

4. Данелюс Р., Пискарскас А., Сируткайтис В., Стабинис А., Ясевичюте Я. Параметрические генераторы света и пикосекундная спектроскопия. -Вильнюс: Мокслас, 1983, 185 с.

5. Rossi F., Kuhn Т. Theory of ultrafast phenomena in photoexcited semiconductors. Reviews of Modern Physics, 2002, 74, № 3, pp. 895-950.

6. Калафати Ю.Д., Кокин В.А. Пикосекундные процессы релаксации в полупроводниковом лазере, возбужденном мощным ультракоротким импульсом света. ЖЭТФ, 1991, т.99, в.6, стр.1793-1803.

7. Рассеяние света в твердых телах. Выпуск III. Под ред. М. Кардоны, Г. Гюнтеродта. -М.: Мир, 1985, 312 с.

8. Bronevoi I.L., Krivonosov A.N., РегеГ V.I. Effect of plasmon assisted stimulated raman scattering on the reversible bleaching of gallium arsenide by a high power picosecond light pulse. Solid State Commun. 1995, 94, № 5, pp.363368.

9. Kash J.A. Carrier-carrier scattering in GaAs: Quantitative measurements from hot (e,A°) luminescence. Phys. Rev. B, 1989, 40, № 5, pp. 3455-3458.

10. Кумеков C.E., Перель В.И. Энергетическая релаксация электрон-фононной системы полупроводника в стационарном и динамическом режимах. ЖЭТФ, 1988, т.94, в.1, стр.346-356.

11. Алтыбаев Г.С., Броневой И.Л., Кумеков С.Е. Выступ на спектрах поглощения GaAs, возбужденного мощными пикосекундными импульсами света. ФТП, 2004, т. 38, в. 6, с. 674-677.

12. Bronevoi I.L., Krivonosov A.N., РегеГ V.I. Phonon oscillations in the spectrum of the reversible bleaching of gallium arsenide under interband absorption of a high-power picosecond light pulse. Solid State Commun. 1995, 94, № 9, pp.805-808.

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

14. Ageeva N.N., Bronevoi I.L., Dyadyushkin E.G., Mironov V.A., Kumekov S.E., Perel' V.I. Superluminescence and brightening of gallium arsenide under inter-band absorption of picosecond light pulses. Solid State Commun. 1989, 72, № 7, pp.625-629.

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

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

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

18. Blakemore J.S. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide. -J. Appl. Phys. 1982, 53, № 10, pp. R123-181.

19. Haga E., Kimura H. Free-Carrier Infrared Absorption in III-V Semiconductors IV. Inter-Conduction Band Transitions. Journal of the Physical Society of Japan 1964,19, № 9, pp. 1596-1606.

20. Агеева H.H., Броневой И.Л., Кривоносов A.H. Распределение электронов между долинами и сужение запрещенной зоны при пикосекундной суперлюминесценции в GaAs. ФТП, 2001, т. 35, в. 1, с. 65-69.

21. Tarucha S., Kobayashi H., Horikoshi Y., Okamoto H. Carrier-Induced Energy-Gap Shrinkage in Current-Injection GaAs/AlGaAs MQW Heterostructures. -Jpn. J. Appl. Phys., 1984, 23, № 7, pp. 874-878.

22. Райс Т., Хенсел Дж., Филлипс Т., Томас Г. Электронно-дырочная жидкость в полупроводниках. М.: Мир, 1980, 349 с.31 .Крохин О.Н. Коэффициент усиления и эффект насыщения в полупроводниках при однородном возбуждении. ФТТ, 1965, т. 7, в. 9, с. 2612-2619.

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

24. Брюкнер Ф., Васильев Я.Т., Днепровский B.C., Кощуг Д.Г., Силина Е.К., Хаттатов В.У. Самоиндуцированная прозрачность в полупроводнике, ЖЭТФ, 1974, т. 67, в. 6(12), с. 2219-2226.

25. Miller A., Manning R. J., Fox A.M., Marsh J. H. High excitation electron dynamic in GalnAsP. A digest of technical papers presented at the Topical Meeting on Ultrafast Phenomena. Monterey, California, 1984, TuE20-l.

26. Алферов Ж. И., Гуревич С. А., Мизеров М. Н., Портной Е. Л. Контролируемое травление эпитаксиальных слоев GaAs и твердых растворов AlxGaixAs и его применение в интегральной оптике. ЖТФ, 1975, т. XLV, № 12, с. 2602-2606.

27. Луфт Б.Д. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников. М.: Радио и связь, 1982, 136 с.

28. Блэкмор Дж. Статистика электронов в полупроводниках. М.: Мир, 1964, 392 с.

29. Цидильковский И.М. Зонная структура полупроводников М.: Наука, 1978,328 с.

30. Shah J, Leheny R.F., Lin С. Dynamic Burstein shift in GaAs. Solid State Commun. 1976,18, № 8, pp. 1035-1037.

31. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. -М.: Наука, 1977, 366 с.

32. Бергнер Ч., Брюкнер Ф., Шредер Б. Изучение быстропротекающих процессов в полупроводниках в пикосекундной области. Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 6, с. 1150-1159.

33. Грибковский В.П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. Минск: Наука и техника, 1975, 464 с.

34. Hulin D., Joffre М., Migus A., Oudar J.L., Dubard J., Alexandre F. Ultrafast recovery of absorption saturation in GaAs/AlGaAs multiple quantum wells. -Journ. de Physique 1987, 48, № C5, pp. 267-270.

35. Fox A.M., Manning R.J., Miller A. Picosecond relaxation mechanism in highly excited GalnAsP.- J. Appl. Phys. 1989, 65, №11, pp. 4287-4298.

36. Леванюк А.П., Осипов B.B. Краевая люминесценция прямозонных полупроводников. УФН, 1981, т. 133, в. 3, с. 427-477.

37. Von der Linde D., Kuhl J., Rosengart E. Picosecond correlation effects in the hot luminescence of GaAs. JLumin. 1981, 24(25), pp. 675-678.

38. Калафати Ю.Д., Кокин B.A. Пикосекундная сверхлюминесценция в GaAs при межзонном поглощении мощных коротких импульсов света. Письма в ЖЭТФ, 1989, т.50, в. 11, стр.462-465.

39. Von der Linde D., Kuhl J., Klingfuberg H. Raman scattering from nonequilib-rium LO phonons with picosecond resolution. Phys. Rev. Lett. 1980, 44, № 23, pp. 1506-1508.

40. Shah J., Leite R.C.C., Scott J.F. Photoexcited hot LO phonons in GaAs. Solid State Commun. 1970, 8, № 13, pp. 1089-1093.

41. Mooradian A., Wright G.B. First order Raman effect in III-V compounds. -Solid State Commun. 1966, 4, № 9, pp. 431-434.

42. Броневой И.Л., Калафати Ю.Д., Гуляев Ю.В., Перель В.И., Кумеков С.Е., Миронов В.А., Агеева Н.Н. "Способ изменения оптической прозрачности прямозонных полупроводников" патент РФ №2000630 от 17.04.91.

43. Броневой И.Л., Кривоносов А.Н. Спектр стимулированного излучения, возникающего при межзонном поглощении пикосекундного импульса света в тонком слое GaAs. ФТП, 1998, т. 32, № 5, с. 537-541.

44. Casey H.C., Stern F. Concentration-dependent absorption and spontaneous emission of heavily doped GaAs. J. Appl. Phys. 1976, 47, № 2, pp. 631-643.

45. Camassel J., Auvergne D., Mathieu H. Temperature dependence of the band gap and comparison with the threshold frequency of pure GaAs lasers J. Appl. Phys. 1975, 46, № 6, pp. 2683-2689.

46. Tomita A., Suzuki A. Carrier-Induced basing Wavelength Shift for Quantum Well Laser Diodes. IEEE J. Quant. Electron., QE-23, № 7, 1987, pp. 11551159.

47. Bronevoi I.L. Kalafati Yu.D. Krivonosov A.N. Proc. 24 Int. Conf. on the Physics of Semicnductors, Jerusalem, 1998, ISBN: 981-02-4030-9 (CD), 0051.pdf.

48. Bronevoi I.L., Krivonosov A.N., Nalet T.A. An overthreshold state of electron-hole plasma in GaAs at interband absorption of high-power picosecond light pulses. Solid State Commun. 1996, 98, № 10, pp. 903-907.

49. Теория неоднородного электронного газа. Под редакцией Лундквиста С., Марча Н. М.: Мир, 1987, 400 с.

50. Combescot М., Noziers P. Condensation of excitons in germanium and silicon. -J. Phys. C: Solid State Phys., 1972, 5, pp. 2369-2391.

51. Кейси X., Паниш M. Лазеры на гетероструктурах. М.: Мир, 1981, 364 с.

52. Платцман Ф, Вольф П. Волны и взаимодействия в плазме твердого тела. -М.: Мир, 1975,440 с.

53. Skerdin G., Stiens J., Vounckx R. Hot free-electron absorption in nonparabolic III-V semiconductors at mid-infrared wavelengths. J. Appl. Phys. 1999, 85, № 7, pp. 3792-3806.

54. Brinkman W.F., Rice T.M. Electron-hole Liquids in Semiconductors. Phys. Rev. B, 1973, 7, № 4, pp. 1508-1523.

55. Маделунг О. Теория твердого тела. М.: Наука, 1980,416 с.

56. Adachi S. GaAs, AlAs, and A^Ga^As Material parameters for use in research and device applications. J. Appl Phys. 1985, 58, № 3, pp. R1-R29; Landolf-Bonstein. Tables ed. by O. Madelung, 1982,17a.

57. Dreselhaus G., Kip A.F., Kittel C. Cyclotron Resonance of Electrons and Holes in Silicon and Germanium Crystals Rhys. Rev. 1955, 98, pp. 368-384.