Поляризационно-чувствительные фотоэлектрические и оптические явления в кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Глава П. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ.

§2.1. Постановка задач.

§2.2. Кинетическое уравнение.

§2.3. Интеграл столкновений.

§2.4. Фотовозбуждение.

§2.5. Релаксация горячих электронов.

Глава Ш. АНИЗОТРОПНАЯ ФОТОПРОВОДИМОСТЬ,

ПОВЕРХНОСТНЫЙ Ф0Т0Т0К И ПОЛЯРИЗОВАННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В МНОГОДОЛИННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

§3.1. Общие свойства фотоэлектрических эффектов.

§3.2. Фотопроводимость.

§3.3. Поверхностный фототок.6?

§3.4. Характеристики поляризованной рекомбинационной люминесценции.

§3.5. Люминесценция при примесь-зонных переходах.

§3.6. Люминесценция при межзонном возбуждении.

§3.7. Экситонная люминесценция.

Глава 1У. ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КРИСТАЛЛЕ

С ДИСЛОКАЦИЯМИ.

§4.1. Физическая модель эффекта.

§4.2. Рассеяние электронов на деформационном потенциале дислокации.

§4.3. Экранированный потенциал дислокации.

§4.4. Фотогальванический эффект.

§4.5. Обсуждение.

В настоящее время широко развиваются исследования физических процессов в кристаллах, возникающих в результате поглощения поляризованного света. Главной особенностью таких процессов является то, что поляризация поглощаемого света "запоминается" в возбужденных состояниях системы. В данной работе изучаются явления в кристаллах, обусловленные оптическим выстраиванием импульсов и оптической ориентацией спинов фотовозбужденных электронов (мы будем иногда использовать термин "оптическая ориентация" по отношению к обоим эффектам).

Оптическая ориентация спинов электронов возникает при фотовозбуждении с помощью циркулярно-поляризованного света в результате передачи момента импульса фотона электронам Щ.

Оптическое выстраивание импульсов зонных электронов состоит в том, что в элементарном акте поглощения линейно-поляризованного фотона возникает поляризационно-зависящее анизотропное распределение фотовозбужденных электронов по импульсам ¡2]. Преимущественные направления импульсов определяются вектором поляризации света и направлением его распространения. Если время релаксации импульса оказывается сравнимым со временем жизни электронов в возбужденных состояниях, то при стационарном фотовозбуждении наблюдается анизотропное импульсное распределение электронов.

Следствиями оптического выстраивания импульсов и оптической ориентации спинов зонных электронов могут быть: поляризованная рекомбинационная люиинесценция горячих электронов ^2], ориентация ядерных спинов [lt5]9 объемный и поверхностный фотогальванический эффект ¡29-32], поляризационно-зависящая анизотропная фотопроводимость в кубическом полупроводнике [~24-26,32], лазерный эффект в кубическом многодолинном полупроводнике, обусловленный селективным фотовозбуждением электронов в долины [19-21].

Изучение этих явлений с одной стороны позволяет углубить исследование свойств полупроводников и определить ряд существенных параметров кристаллов, таких как межзонные матричные элементы импульса, зависимость от энергии времен релаксации импульса, энергии и спина электрона, коэффициенты диффузности рассеяния электронов на поверхности полупроводников, междолинные времена релаксации, константы взаимодействия электронов с фононами. С другой стороны, эти явления имеют важное практическое значение. Так, фотогальванический эффект нашел применение для создания оптических запоминающих сред. Перспективно его применение для быстродействующих, поляризационно-чувстви-тельных фотоприемных устройств. Оптическое выстраивание электронов по долинам зоны проводимости многодолинного полупроводника используется для создания лазеров [19-21]. Оптическая ориентация ядерных спинов перспективна для достижения сверхнизких температур

Достаточно глубоко явления оптической ориентации спинов и оптического выстраивания импульсов изучены в прямозонных, однодолинных полупроводниках. В литературе имеется ограниченное число работ, касающихся многодолинных полупроводников -материалов, край зоны проводимости которых представлен совокупностью эквивалентных минимумов (долин)[з,4,17-23,25,39, 45-48]. Явление оптического выстраивания импульсов в таких полупроводниках примечательно тем, что оно может выражаться в неодинаковости заселения долин фотовозбужденными электронами.

Такое селективное фотовозбуждение электронов под действием линейно-поляризованного света представляет собой "выстраивание" электронов по импульсам центров долин. Эффект экспериментально наблюдался в кубических полупроводниках с помощью поляризованной рекомбинационной краевой люминесценции [17-21], анизотропного циклотронного резонанса [22-23].

Как уже отмечалось выше, селективность фотовозбуждения электронов еще не гарантирует, что при стационарном освещении в кристалле возникнет анизотропное распределение неравновесных электронов по спинам или импульсам. Необходимо также, чтобы электроны за время жизни в возбужденных состояниях не успели потерять "память" о поляризации света. Эффекты оптической ориентации существенно определяются процессами энергетической, импульсной и спиновой релаксации. В этом аспекте указанные выше явления в многодолинных полупроводниках исследованы пока недостаточно.

Так, поляризованная рекомбинационная люминесценция не изучалась для горячих электронов [17-21]. В то же время эффекты, определяемые термализованными электронами не исследовались в зависимости от энергии фотовозбужденных электронов [17-23]. Таким образом, выпал из рассмотрения этап энергетической релаксации фотовозбужденных: электронов. Между тем, горячие электроны могут совершать междолинные переходы за счет испускания фононов с импульсами, связывающими центры долин (так называемых, мевдолинных фононов). По мере спуска электронов по энергии происходит частичная изотропизация заееленностей долин, а также спиновая релаксация электронов. Соответственно, убывает поляризация горячей люминесценции при движении по спектру в сторону более длинных волн.

Многодолинные полупроводники интересны для изучения с точки зрения фотоэлектрических явлений, обусловленных неодинаковым заселением долин фотовозбужденными электронами. Примером такого явления может служить анизотропная фотопроводимость в однородном кубическом многодолинном полупроводнике (в работе [25] эффект теоретически предсказан для случая фотовозбуждения электронов в зону из состояний на мелких донорах). Анизотропная фотопроводимость является следствием анизотропии тензора подвижности электронов из отдельной долины и различия стационарных значений концентраций электронов в долинах. Эффект определяется, в основном, электронами из области энергий, где длины свободного пробега достаточно велики. При низкой температуре основным механизмом междолинной релаксации этих электронов является рассеяние на примесях. Поэтому анизотропное распределение электронов по долинам релаксирует за сравнительно большое время примесной междолинной релаксации. Можно ожидать, что величина анизотропной проводимости может быть существенно большей, чем в однодолинном полупроводнике, где эффект обусловлен выстраиванием имцульсов электронов внутри долины и определяется временем импульсной релаксации.

Другим следствием неодинакового заселения долин фотовозбужденными электронами может быть возникновение поверхностного диффузионного фототока [Iх, 2*]. Такой ток возможен в кристалле, срезанном так, что эллипсоиды долин расположены косо, но симметрично относительно нормали к поверхности при наклонном положении вектора линейной поляризации света. В этом случае градиент концентрации носителей в данной долине, обусловленный затуханием света по глубине образца, вызывает их диффузию вдоль поверхности. Вследствие различия концентраций электронов в долинах, обусловленного накачкой электронов в долины с помощью линейно-поляризованного света, возникает суммарный поверхностный ток. Величина тока определяется длинами диффузии и междолинного рассеяния электронов.

Эффекты, связанные с выстраиванием импульсов, можно классифицировать по их зависимости от четности импульсной функции распределения фотовозбужденных электронов. Рекомбинационная люминесценция горячих электронов [2] и анизотропная фотопроводимость в кубическом полупроводнике [25,32] определяются, в основном, четной частью функции распределения и слабо зависят от ее асимметрии.

Недавно открытый новый тип фотоэлектрических явлений в полупроводниках - фотогальванический эффект (см. обзоры [29-31] ) определяется исключительно нечетной частью функции распределения фотовозбужденных электронов.

Фотогальванический эффект представляет собой возникновение постоянного электрического тока в макроскопически однородных кристаллах при однородном освещении поляризованным светом. Этот эффект возможен только в кристаллах без центра инверсии и не связан с постоянным внешним электрическим полем и импульсом фотона.

Фотогальванические эффекты перспективны для создания быстро^ действующих, поляризационно-чувствительных фотоприемных устройств. Однако, величины эффектов, наблюдаемых в настоящее время в различных материалах, оказываются существенно меньше теоретических предельных значений, сопоставимых по величине с другими способами фотоприема. Это ставит проблему создания искусственных сред, не обладающих центром инверсии, в которых возможен фотогальванический эффект. Примером таких сред могут быть кристаллы, содержащие ориентированные краевые дислокации [4х - 5*] .

Сказанное выше показывает актуальность данной работы, целью которой является теоретическое исследование поляризаци-онно-зависящих анизотропной фотопроводимости и поверхностного диффузионного фототока, поляризованной рекомбинационной люминесценции в кубических многодолинных полупроводниках, а также фотогальванического эффекта в кристалле с краевыми дислокациями.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков опубликованных работ по теме диссертации и цитированной литературы.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Развита теория эффектов селективной долинной накачки и оптической ориентации спинов электронов в кубических многодолинных полупроводниках, учитывающая процессы энергетической и междолинной релаксации фотовозбужденных электронов при рассеянии на фононах.

2. Теоретически предсказано возникновение поверхностного диффузионного фототока в кубическом многодолинном полупроводнике, обусловленного эффектом селективного заселения долин фотовозбужденными электронами под действием линейно-поляризованного света. Спектры фототока рассчитаны для кремния и -германия в случае межзонных оптических переходов.

3. Рассчитан тензор поляризационно-зависящей анизотропной фотопроводимости к кубических многодолинных полупроводниках для межзонных прямых и непрямых переходов.

4. Теоретически изучена поляризованная рекомбинационная люминесценция в многодолинном полупроводнике, обусловленная селективным заселением долин электронами и спиновой оптической ориентацией при возбуждении с помощью поляризованного света. Рассмотрен случай непрямых межзонных и примесь-зонных оптических переходов. На примере кремния рассчитаны спектры поляризации и интенсивности люминесценции горячих и холодных электронов, а также экситонов.

5. Развита теория фотогальванического эффекта в кристалле с ориентированными краевыми дислокациями в области поглощения света на свободных носителях и на межзонных переходах.

Автор выражает искреннюю благодарность старшему научному сотруднику к.ф-м.н. М.В.Энтину за постановку задач и повседневное руководство работой, профессору А.В.Чаплику за научное руководство.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ l*J Ефанов А.В., Энтин М.В. Поляризационно-зависящие фотопроводимость и поверхностный фототок в многодолинных полупроводниках. - ЗШ1, 1982, т.16, вып.4, с.662-669. [2KJ Ефанов А.В., Энтин М.В. Поляризационно-зависящие фотопроводимость и поверхностный фототок в многодолинных полупроводниках. - В кн.: II Республиканская конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (г.Одесса, сент. 1982г.): Тез.докл. Киев, 1982, с.117. j>] Efanov А. V., Entin M.V. Optical orientation and polarized luminescence in silicon. - Phys. Stat. Sol. (Ъ), 1983, v. 118, IT 1, p.63-72. jV^l Efanov Л.V., Entin M.V. Photogalvanic effect in crystal with dislocations. - Phys. Stat. Sol. (Ъ), 1983, v.119, N 2, p.473-481. [б*] Ефанов А.В., Энтин М.В. Фотогальванический эффект в кристалле с дислокациями. - В кн.: Одиннадцатое совещание по теории полупроводников (г.Ужгород, октябрь 1983г.): Тез. докл. Ужгород, 1983, с.199-200.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Дьяконов М.И., Меркулов И.А., Перель В.И. Оптическая ориентация в полупроводниках. Изв. АН СССР, серия физ., 1982, т.46, №3, с.482-486.

2. Захарченя Б.П., Мирлин Д.Н., Перель В.И., Решина И.И. Спектр и поляризация фотолюминесценции горячих электронов в полупроводниках. УФН, 1982, т.136, вып.З, с.459-499.

3. Lampel G. Nuclear dynamic polarization by optical electronic saturation and optical pumping in semiconductors. Phys. Rev. Lett., 1968, v.2, N 10, p.491-493.

4. Лампель Ж. Оптическая накачка в полупроводниках.

5. В кн.: Труды IX международной конференции по физике полупроводников (г.Москва, 23-24 июля 1968г.). Л., 1969, т.2, с.1203-1206.

6. Материалы Всесоюзного семинара "Оптическое детектирование магнитных резонансов в твердых телах" (г.Ленинград, 6-8 апреля 1981г.). Изв. АН СССР, серия физ., 1982, т.46, № 3, с.417-521.

7. Parsons R.R. Band-to-band optical pumping in solids and polarized photоluminescence. Phys. Rev. Lett., 1969, V.23, N 20, p.1152-1154.

8. Дымников В.Д. О линейной поляризации горячей люминесценции в полупроводниках с зонной структурой арсенида галлия. ШТП, 1977, т.II, вып.8, с.1478-1486.

9. ГхзЗ Дымников В.Д. О циркулярной поляризации горячей люминесценции в полупроводниках с зонной структурой арсенида галлия. ФТП, 1977, Т.II, вып.9, с.1850-1853.

10. Дымников В.Д., Перель В.И. Релаксация анизотропии функции распределения фотовозбужденных электронов по импульсам и поляризационный спектр горячей фотолюминесценции. ФТП, 1979, т.13, вып.4, с.707-711.

11. Дымников В.Д. Магнитные осцилляции распределения по имцульсам горячих фотовозбужденных электронов в полупроводниках. ЖЭТФ, 1979, т.77, вып.З, с.1107-1123.

12. Lavallard P., Bichard R., Sapoval В. Valley selection by linear optical pumping in РЪТе. Solid State Comm., 1975, v.17, N10, p.1275-1277.

13. Ивченко Е.Л. Двухфотонное поглощение и оптическая ориентация свободных носителей в кубических кристаллах. -ФТТ, 1972, т.14, вып.12, с.3489-3497.

14. Арешев И.П., Данилевский A.M., Кочегаров С.Ф., Субаши-ев В.К. О модуляции лазерного действия в теллуриде свинца изменением поляризации излучения накачки. -Письма в ЖЭТФ, 1975, т.22, вып.9, с.437-441.

15. Арешев И.П., Данишевский A.M., Кочегаров С.Ф., Субаши-ев В.К. Двухфотонное селективное заполнение энергетических долин в РвТе и скачки направления поляризации ре-комбинационного излучения. Письма в ШЭТФ, 1976,т.24, вып.II, с.594-598.

16. Данишевский A.M. Поляризационные характеристики стимулированного излучения кристаллов PbSe при двухфотон-ной накачке, обусловленные селективным заселением долин. ЖЭТФ, 1982, т.82, вып.З, с.685-690.

17. Kaplyanskii А;а., Sokolov К.S., ïïovikov B.V., Gastev S.V. Selective optical valley pumping in silicon and germanium. Solid State Comm., 1976, v.20, N1, p.27-29.

18. Соколов H.С. Селективная оптическая накачка электронов в долины зоны проводимости кремния и германия.

19. В кн.: Оптические свойства полупроводников и вопросы обеспечения физических экспериментов. Л.: ЛИЯФим. Б.П.Константинова АН СССР, 1978, с.61-74.

20. Гальперн Ю.С., Коган Ш.М. Возникновение поперечной фото-эдс в условиях наблюдения фотопроводимости. ФТП, 1968, т.2, вып.II, с.I697-1699.

21. Гальперн Ю.С., Коган Ш.М. Анизотропные фотоэлектрические эффекты. ЖЭТФ, 1969, т.56, вып.1, с.355-361.

22. Гальперн Ю.С., Коган Ш.М. Возникновение поперечной фо~ тоэдс под действием неполяризованного излучения. -ФТП, 1970, т.4, вып.4, с.806-808.

23. Бир Г.Л., Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е. Выстраивание и ориентация горячих экситонов и поляризованная люминесценция. Изв. АН СССР, серия физ., 1976, т.40, № 9, с.1866-1871.

24. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е., Такунов Л.В. Выстраивание и ориентация горячих экситонов в полупроводниках. ФТТ, 1978, т.20, вып.9, с.2598-2609.

25. Белиничер В.И., Стурман Б.И. Фотогальванический эффект в кристаллах без центра симметрии. УВД, 1980, т.130, вып.З, с.415-458.

26. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е. Фотогальванические эффекты в полупроводниках. В кн.: Проблемы современной физики (к столетию со дня рождения А.Ф.Иоффе). Л.:Наука, 1980, с.275-293.

27. Fridkin V.M., Grekov A.A., Rodin A.I. The bulk photovoltaic effect in the crystals without a center of symmetry. Perroelectrics, 1982, v.43, N3-4, p.99-108.

28. Белиничер В.И. Исследования фотогальванических эффектов в кристаллах. Дис. на соискание ученой степени докт. физ.-мат. наук. - Новосибирск, 1982. - 350 с.- но

29. Белиничер В.И., Канаев И.Ф., Малиновский В.К., Стурман Б.И. Фотоинду цированные токи в сегнетоэлектри-ках. Автометрия, 1976, № 4, с.23-28.

30. Белиничер В.И., Малиновский В.К., Стурман Б.И. Фотогальванический эффект в кристаллах с полярной осью. -ЖЭТФ, 1977, т.73, вып.2, с.692-699.

31. Зб. Baskin Б.М., Blokh M.D., Entin M.V., Magarill L.I. Current quadratic in field and photogalvanic effect in crystals without inversion centre. Phys. Stat. Sol.(Ъ), 1977, v.83, p.K97-K100.

32. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е. Новый фотогальванический эффект в гидротропных кристаллах. Письма в ЖЭТФ, 1978, т.27, вып.II, с.640-643.

33. Шелест В.И., Энтин М.В. Фотогальванический эффект при учете электрон-дырочного взаимодействия. ФТП, 1979, т.13, вып.12, с.2312-2315.

34. Белиничер В.И., Новиков В.Н. Поверхностные фототоки в твердых телах. Новосибирск, 1980. - 7 с. (Препринт, ИАиЭ СО АН СССР, №127); Альперович В.Л., Белиничер В.И.,

35. Новиков B.H., Терехов А.С. Поверхностный фотогальванический эффект в арсениде галлия. Письма в ЖЭТФ, 1980, т.31, вып.10, с.581-584.

36. Альперович В.Д., Белиничер В.И., Новиков В.Н., Терехов А.С. Поверхностный фотогальванический эффект в твердых телах. Теория и эксперимент для межзонных переходов в арсениде галлия. ЖЭТФ, 1981, т.80, вып.6, с.2998-3011.

37. Альперович В.Л., Белиничер В.И., Г^усев Г.М., Новиков В.Н., Терехов А.С. Длина свободного пробега и диффузность поверхностного рассеяния электронов в GaAs.-Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, вып.8, с.437-440.

38. Магарилл Л.И., Энтин М.В. Фотогальванический эффект в пленках. ФТТ, 1979, т.21, вып.5, с.1280-1286.

39. Аснин В.М., Бакун А.А., Данишевский A.M., Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е., Рогачев А.А. Обнаружение фотоэдс, зависящей от знака циркульной поляризации света. Письма в ЖЭТФ, 1978, т.28, вып.2, с.80-84.

40. Asnin V.M. , Bakun А.Л., Danishevskii A.M., Ivchenko E.L. , Pikus G.E., Rogachev A.A. "Circular" photоgalvanic effect in optically active crystals. Solid State Comm., 1979, v.30, N9, p.565-570.

41. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е. Фотогальванический эффект в полупроводниках со сложными зонами. ФТП, 1979, т.13, вып.5, с.992-994.

42. Hornung D., Baltz R., Rossler U. Band structure investigation of the bulk photovoltaic effect in n-Ga P. -Solid State Comm., 1983, v.48, ИЗ, p.225-229.j49j Ахиезер А.И., Пелетминский С.В. Методы статистической физики. М.: Наука, 1977. - 368 с.

43. Bloch P. Dynamical theory of nuclear induction, II. -Phys.Rev., 1956, v.102, N1, p.104-135.

44. Дьяконов М.И., Перель В.И. Спиновая релаксация электронов проводимости в полупроводниках без центра инверсии. ФТТ, 1971, т.13, вып.12, с.3581-3585.

45. Аше М., Грибников З.С., Митин В.В., Сарбей О.Г. Горячие электроны в многодолинных полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1982. - 328 с.

46. Elliott R.J. Intensity of optical absorption by excitons. Phys.Rev., 1957, v.108, N6, p.1384-1389.

47. Алмазов Л.А., Григорьев Н.Н. Междолинное перезаселение носителей и поперечная фотоэдс в полупроводниках. -ФТП, 1978, т.12, вып.Ю, с.1996-2003.

48. Жадько И.П., Романов В.А., Сердега В.К., Шеховцев Л.В. О поперечной фотоэдс в Si , вызванной междолинным перезаселением электронов. ФТП, 1979, т.13, вып.9,с.1728-1733.

49. Алмазов Л.А., Григорьев Н.Н., Жадько И.П., Романов В.А., Серцега Б.К., Шеховцев Л.В. Поперечный фотогальванический эффект в многодолинных полупроводниках. ФТП, 1982, тД6, вып.4, с.635-642.

50. Грибников З.С., Иващенко В.М., Митин В.В., Сербей О.Г. Численный расчет многозначных распределений электронов по долинам в Si . Киев, 1981. - 40 с. (Препринт, Инст. физики АН УССР, №8).

51. Берестецкий В.Б., Лившиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. М.: Наука, 1980. - 704 с.

52. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках. М.: Мир, 1973. - 456 с.

53. Займан Д. Электроны и фононы. М.: ИЛ, 1962. - 488 с.

54. Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Мир, 1974. - 464 с.79j Ландау Л.Д., Лифпиц Б.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. - 204 с.