Спин-зависимые и нелинейно-оптические явления при внутризонном поглощении в полупроводниковых структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

На правах рукописи БЕЛЬКОВ Василий Валентинович

СПИН-ЗАВИСИМЫЕ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВНУТРИЗОННОМ ПОГЛОЩЕНИИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ

Специальность:

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-

математических наук, профессор А.А. Андронов

доктор физико-математических наук,

профессор М.С. Каган

доктор физико-математических наук,

профессор В.И. Иванов-Омский

Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита состоится " 21 " апреля 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного concia Д 002.205.02 Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, Политехническая 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан " 21 " марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Л.М. Сорокин

Общая характеристика работы

Н4бо

Актуальность темы. Спектр физических явлений, обусловленных воздействием миллиметрового и субмиллиметрового излучения на полупроводники, чрезвычайно широк. Среди них внутри- и межподзонное поглощение в квантово-размерных структурах, процессы с участием оптических фононов, разогрев свободных носителей заряда, ионизация эк-ситонов и мелких примесей. Использование интенсивного терагерцово-го излучения дает возможность наблюдать многофотонное поглощение, эффект увлечения электронов фотонами, туннелирование в высокочастотном электрическом' поле. Внутризонное поглощение эллиптически поляризованного излучения может приводить к генерации неравновесного спина в полупроводниках. Этот эффект сочетает в себе особенности двух широко известных способов создания спиновой ориентации. С одной стороны, речь идет об оптической ориентации (как и при межзонном возбуждении циркулярно поляризованным светом [1]), с другой - как и в случае спиновой инжекции, процесс затрагивает лишь один сорт носителей заряда, что позволяет говорить о монополярной спиновой ориентации. Спин-зависимые эффекты в низкоразмерных полупроводниковых структурах являются в настоящее время предметом интенсивных исследований, что обусловлено надеждами на создание нового поколения приборов, сочетающих в себе достоинства полупроводниковых и магнитных материалов. Низкая по сравнению с объемными кристаллами симметрия наноструктур позволяет наблюдать принципиально новые явления, которые невозможны в объемных полупроводниках. К их числу относятся спин-зависимые фотогальванические эффекты. Исследование этих явлений в условиях внутризонного возбуждения дает возможность выявлять специфику спинового расщепления в низкоразмерных полупроводниковых структурах, получать информацию о кинетике процесса спиновой релаксации, а также предоставляет новые возможности для изучения симметрии наноструктур.

Воздействие субмиллиметрового излучения приводит и к росту температуры электронного газа в полупроводнике. Однако, более эффективный разогрев свободных носителей заряда достигается при погло-

щении излучения миллиметрового диапазона, то есть при воздействии электрического СВЧ поля. Рост энергии носителей заряда изменяет как параметры электронного транспорта, так и, благодаря ударной ионизации связанных состояний (примесей, экситонов), их концентрацию. Далекие от термодинамически равновесных состояния сравнительно легко достигаются путем приложения внешних полей. Возможность модуляции поля и высокое временное разрешение регистрации отклика электронной системы позволяют изучать кинетику неравновесных систем. Таким образом, электронный газ в полупроводниках является хорошим модельным объектом для исследования общих закономерностей неравновесных фазовых переходов и процессов самоорганизации [2]. Отметим, что и начало изучения влияния сильных электрических нолей на поведение электронов в полупроводниках было связано с удобством моделирования загадочного тогда - полвека назад - процесса электрического пробоя диэлектриков. Очевидным достоинством исследований с использованием высокочастотного излучения является бесконтактный характер приложения э.лектрического поля.

Целью работы является обнаружение, исследование и выявление микроскопических механизмов новых фотогальванических и нелинейно-оптических эффектов, обусловленных неравновесными процессами в полупроводниках при внутризонном поглощении.

Объекты и методы исследования: Использование субмиллиметрового и микроволнового излучения позволяет бесконтактно прикладывать однородные электрические поля к объемным полупроводникам и низкоразмерным полупроводниковым структурам. Регистрируемые гальванические сигналы, величина СВЧ поглощения, а также спектры, кинетика и пространственное распределение фотолюминесценции несли информацию о физических процессах в исследуемых структурах.

Научная новизна работы состоит в обнаружении целого ряда новых физических эффектов, обусловленных спин-зависимыми процессами в полупроводниках и нелинейными явлениями, характерными для далеких от термодинамического равновесия систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Внутризонное поглощение эллиптически поляризованного излучения приводит к созданию неравновесного спина в полупроводниковых гетероструктурах.

2. Процесс спиновой релаксации в двумерных А3В5 структурах сопровождается генерацией тока в плоскости структуры (спин-гальванический эффект).

3. Циркулярный фотогальванический эффект, обусловленный резонансными межподзонными переходами в двумерных структурах п-типа, демонстрирует спектральную инверсию.

4. Направление тока, вызванного спин-зависимыми фотогальваническими эффектами в полупроводниковых гетероструктурах, определяется природой спинового расщепления.

5. Разогрев неравновесных носителей заряда в электрическом СВЧ поле вызывает тепловой пробой экситонов.

6. Ударная ионизация примесей в микроволновом поле приводит к формированию пространственно неоднородных структур.

Апробация работы: результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях: 6 Всероссийская конференция по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2003); Совещание "Нанофотоника" (Н.Новгород, 2003); 1-3 Международные конференции по физике спин-зависимых явлений в полупроводниках (Сендай, 2000, Вюрцбург, 2002, Санта-Барбара, 2004); 25 - 27 Международные конференции по физике полупроводников (Осака, 2000, Эдинбург, 2002, Флагстаф 2004); 9-12 Международные симпозиумы "Наноструктуры: физика и технология" (Санкт-Петербург, 2001-2004); Симпозиумы Общества по исследованию материалов (Бостон, 2001, 2003), 13 Конференция Европейского физического общества (Регенс-бург, 1993); Конференция "Физические принципы новых материалов оптоэлектроники" (Аахен, 1990); 11 и 12 Всесоюзные конференции по

физике полупроводников (Кишинев 1988, Киев 1990); Международная конференция "Оптическая нелинейность и бистабильность в полупроводниках" (Берлин, 1988); Международные конференции "Экситоны-84", "Экситоны-86", "Экситоны-87" (Гюстроф, 1984, Ленинград, 1986, Вильнюс, 1987); Всесоюзная конференция "Люминесценция-87" (Таллинн, 1987); Международные симпозиумы "Нелинейная оптика и кинетика возбуждения в полупроводниках" (Бад-Штуер, 1987, Карлсруэ, 2003). Результаты работы докладывались также на семинарах различных лабораторий ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, в СПбГУ, СПбГПУ, МГУ им. М.В. Ломоносова, Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, Институте спектроскопии РАН, Институте физики твердого тела РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, университетах Регенсбур-га и Ганновера, Техническом университете Мюнхена. Основное содержание работы опубликовано в 31 статье, список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 223 страницы, включая 54 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 214 наименований.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и научная новизна работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В Первой главе, имеющей преимущественно обзорный характер, анализируются механизмы спин-зависимых токов в объемных полупроводниках группы А3В5 и некоторые фотогальванические эффекты в двумерных полупроводниковых структурах. Под фотогальваническим эффектом (ФГЭ), следуя [3], мы понимаем генерацию тока в однородной среде при однородном оптическом возбуждении. Приведенные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что спиновый фототок в объемных материалах со структурой цинковой обманки может возни-

кать только при неоднородности оптического возбуждения или самого полупроводника. То есть, эффект не может быть отнесен к классу фотогальванических. Действительно, ток, обусловленный оптической ориентацией носителей, наблюдался в условиях сильного градиента концентрации ориентированных по спину электронов [1]. Фототок может появиться при генерации оптически ориентированных носителей в ва-ризонном полупроводнике или в поле р - п перехода. Феноменологический анализ показывает, что спин-зависимый ФГЭ возможен в гиро-тропных средах, поскольку их точечная симметрия не делает различия между некоторыми компонентами полярного (в нашем случае - тока) и аксиального (спин) векторов [4]. Такой эффект был обнаружен в теллуре {5], кристаллическая структура которого удовлетворяет указанному симметрийному условию. Объемные полупроводники со структурой цинковой обманки не являются гиротропными, что и объясняет необходимость наличия неоднородности для генерации в них спинового тока. Переход к двумерным А3Вб структурам понижает симметрию среды и делает возможным наблюдение спин-зависимых ФГЭ. Один из них -циркулярный фотогальванический эффект (ЦФГЭ) - был обнаружен в СаАз/АЮаАз гетероструктурах [6]. Предложенная микроскопическая модель генерации тока, величина которого пропорциональна степени циркулярной поляризации возбуждающего излучения, учитывает наличие линейного по волновому вектору к спинового расщепления валентной зоны.

Причиной появления линейных по волновому вектору вкладов в эффективном электронном гамильтониане является спин-орбитальное взаимодействие и асимметрия квантово-размерных структур [4]. Вклад, связанный с объемной асимметрией (В1А), известен как слагаемое Дрес-сельхауса и своим появлением обязан отсутствию центра инверсии в объемных А3В5 кристаллах. Очевидно, что это слагаемое отсутствует в энергетическом спектре структур иа основе алмазоподобных полупроводников, таких как 81Се квантовые слои. Влияние структурной асимметрии (Б1А) на снятие спинового вырождения не связано со свойствами объемного материала и определяется исключительно параметрами ге-

тероструктуры. Соответствующий вклад в электронный гамильтониан часто именуется как слагаемое Рашба. Структурная асимметрия вызвана целым рядом факторов: неэквивалентность интерфейсов квантового слоя, асимметричность профиля легирование и формы квантовой ямы. Величина слагаемого Рашба может изменяться под влиянием внешнего электрического поля, что является существенным обстоятельством для возможных приборных приложений.

Анализ структуры линейных по к спин-зависимых слагаемых позволил нам определить специфику энергетического спектра низкоразмерных А3В5 структур с различными соотношениями вкладов объемной и структурной асимметрий [А1,А2]. Детальное феноменологическое рассмотрение ЦФГЭ дает возможность выявить особенности эффекта в квантово-размерных структурах, выращенных в различных кристаллографических направлениях. В частности, в (001)-структурах генерация спин-зависимого фототока может наблюдаться лишь при наклонном падении возбуждающего излучения, тогда как в структурах, выращенных в направлении [113], эффект возможен и при фотовозбуждении вдоль оси роста. Таким образом, этот эффект может служить инструментом для исследования симметрии полупроводниковых наноструктур.

Наряду с ЦФГЭ, в низкоразмерных структурах возможно проявление линейного фотогальванического эффекта (ЛФГЭ) и эффекта увлечения. Результаты приведенного в данной главе феноменологического анализа позволяют разделить эффекты по зависимости величины и направления фототока от состояния поляризации возбуждающего излучения и геометрии эксперимента.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению ЦФГЭ в двумерных структурах. Этот эффект, вызванный прямыми межподзон-ными переходами из первой (е1) во вторую (е2) подзону размерного квантования, был обнаружен при резонансном оптическом возбуждении СаАБ/АЮаАБ структур п-типа. В качестве источника фотовозбуждения использовался перестраиваемый импульсный СО 2 лазер (длина волны излучения А от 9 до 11 ¡лт).

На рис. 1 приведены осциллограммы сигналов ЦФГЭ, наблюдае-

Time ( 10"7s )

Рис. 1: (a) и (b) - осциллограммы сигналов ЦФГЭ в (113)-GaAs/AlGaAs структуре. Возбуждающее излучение (А = 10.6 цт) падало по нормали к поверхности, (с) - схема регистрации сигнала, (d) - возбуждающий импульс.

мых при возбуждении (НЗ)-структуры излучением а+ (а) и <7_ (Ь) поляризации с длиной волны Л = 10.6 /яп [A3]. Очевиден сам факт возникновения фототока (в направлении х || [110]), форма импульса которого повторяет форму импульса оптического возбуждения (d), и смена направления протекания тока на противоположное при изменении степени циркулярной поляризации РС1ГС от +1 (<т+ - излучение) до -1 (ег_ - излучение). В соответствии с результатами феноменологического рассмотрения, в низкосимметричных (ПЗ)-структурах (симметрия Са) спин-зависимый фототок наблюдался как при наклонном, так и при нормальном падении излучения. В структурах, выращенных в направлении [001] (симметрия Civ), ЦФГЭ возможен лишь при наклонном падении [A4]. Генерация тока, величина которого пропорциональна степени циркулярной поляризации излучения, была обнаружена нами в арсенид-галлиевых (001)-структурах n-типа, содержащих квантовые ямы шириной 7.6 4- 8.8 nm. Если плоскость падения излучения совпадает с кристаллографической плоскостью (1Ï0), то вызванный ЦФГЭ ток протекает в направлении [110].

Полученные при комнатной температуре спектральные зависимо-

Г2 115 125 135 РИсйоп епегду (теУ)

Рис. 2: Спектральные зависимости фототока, нормализованного на мощность возбуждения Р Данные получены для (ОО^-СаАв/АЮаАз структуры п-типа, Ьцг = 8.2 пт. Наклонное падение циркулярно поляризованного излучения, Т = 293 К. Пунктиром показан спектр поглощения образца.

сти для ОаАБ/АЮаАв структуры с квантовыми ямами шириной Ьцг — 8.2 пт приведены на рис. 2. Как при а+, так и при <т_ поляризации излучении, направление тока изменяется на противоположное при прохождении точки Уы = 7шгпг,. Значение энергии Т\и]I псоответствует положению пика спектра поглощения исследуемой гетероструктуры, показанного на рис. 2 пунктирной линией. Эта величина изменяется от образца к образцу в соответствии с изменением энергетического расстояния между подзонами размерного квантования £21- Экспериментальные результаты, представленные на рис. 2, в частности, спектральная инверсия фототока, согласуются с микроскопической теорией эффекта, развитой в работе [АЗ]. Изменение направления фототока при варьировании частоты возбуждающего излучения наблюдалось также в СаАя/АЮаАз гетерогтруктуре п-типа, выращенной на (ПЗ)-поддожке.

Микроскопическая модель ЦФГЭ для прямых переходов между подзонами размерного квантования в материале п-типа, состоит в следую-

£

аг (-1/2!

ДI ! /

> о?

о+, йш 1 Ьа>1> Пи>2 о+, ЙШ2

Рис. 3: Схематическое изображение прямых оптических переходов между подзонами размерного квантования е1 и е2 в структурах С, симметрии.

щем. На рис. 3 приведена схема переходов между е1 и е2 подзонами в структурах Са симметрии, электронный спектр которой расщеплен на ветви со спинами т, = ±1/2 вдоль оси роста 2. В соответствии с правилами отбора, падающее по нормали правосторонне циркулярно поляризованное излучение <т+ вызывает оптические переходы из состояния со спином гПц = —1/2 в подзоне е1 в состояние со спином тп3 = 4-1/2 в подзоне е2. При монохроматическом возбуждении переходы возможны лишь при фиксированном значении к~, при котором энергия фотона падающего излучения соответствует энергетическому расстоянию между подзонами, как показано на левой половине рис. 3. Таким образом, оптические переходы создают асимметричное импульсное распределение в обеих подзонах, что означает появление тока в направлении х. В квантово-размерных структурах п-типа энергетический зазор между подзонами е1 и е2 обычно превышает энергию продольного оптического фонона, поэтому неравновесные носители в подзоне е2 быстро релакси-руют путем испускания оптических фононов. Это означает, что вкладом электронов второй подзоны в фототок можно пренебречь. Следовательно, величина и направление тока определяются групповой скоростью и временем релаксации импульса тр фотовозбужденных электронов в подзоне е1.

При изменении знака циркулярной поляризации (а_ - излучение)

возможны лишь оптические переходы из состояния со спином та — +1/2 в подзоне el в состояние со спином ms = —1/2 в подзоне е2. Переходы разрешены для электронов с волновым вектором — к~. Очевидно, это означает смену направления фототока при изменении степени циркулярной поляризации возбуждающего света от +1 до —1. В рамках обсуждаемой модели объясняется и спектральная инверсия ЦФГЭ при резонансном межподзонном возбуждении (рис. 3): уменьшение величины энергии кванта при неизменной поляризации излучения сг+ также приводит к изменению величины волнового вектора, при котором возможны межподзонные переходы. Таким образом, вблизи значения ñu> — e2i наблюдается инверсия знака ЦФГЭ.

В квантово-размерных (001)-структурах ЦФГЭ возникает только при наклонном падении возбуждающего света. В этом случае поглощение циркулярно поляризованного излучения определяется спин-зависимыми межподзонными переходами с сохранением спина. Вероятности межподзонных переходов для электронов со спинами, параллельными и антипараллельными направлению распространения света в плоскости гетероструктуры, различаются. Эта разница при наличии линейного по волновому вектору спинового расщепления приводит к асимметричному распределению носителей в fc-пространстве и, тем самым, к электрическому току. Величина тока, как показывают результаты расчета [АЗ], в котором принято во внимание неоднородное уши-рение, пропорциональна производной коэффициента поглощения rj(tuo) по энергии:

где тр1^ — время релаксации по импульсу, v = 1,2 — индекс подзоны размерного квантования, I — интенсивность света. Очевидно, что выражение (1) описывает спектральную инвесию ЦФГЭ.

При межподзонном поглощении в GaAs/AlGaAs структурах р-типа нами была обнаружена спин-зависимая нелинейность ЦФГЭ [А5-А7]. При фиксированной длине волны возбуждающего света отношение величины фототока к интенсивности возбуждающего излучения пропорционально коэффициенту поглощения света. Нелинейный характер за-

висимости тока от интенсивности оптического возбуждения I позволяет говорить об эффекте просветления. Экспериментально насыщение поглощения, обусловленное прямыми межподзонными переходами, изучалось в (ПЗ^СаАз/АЮаАв структурах р-типа с шириной квантовых ям 7 ч-15 пт. Источником возбуждающего излучения (Л = 76 280 ¡лт) служил импульсный (Д£ ~ 100 пэ) 1ЧНз лазер с оптической накачкой. Излучение дальнего ИК диапазона вызывает переходы между подзонами тяжелых (Л/г./) и легких (Ш1) дырок. Поглощение пропорционально разнице заселенностей начального и конечного состояний. Поэтому при высоких уровнях оптического возбуждения, когда темп генерации становится сравнимым со скоростью релаксации, достигается насыщение поглощения. При использовании циркулярно поляризованного излучения, в соответствии с правилами отбора, в оптические переходы - 1Н1 вовлечены лишь носители с определенной спиновой ориентацией. Поэтому насыщение поглощения циркулярно поляризованного излучения определяется как процессом релаксации энергии (с характерным временем те), так и спиновой релаксации (с временем т3). Поглощение линейно поляризованного излучения не является спин-зависимым процессом. Следовательно, насыщение поглощения определяется лишь скоростью энергетической релаксации. Поэтому если значение та превышает величину т£, то эффект просветления становится спин-зависимым: характерная величина интенсивности насыщения 13 возрастает при переходе от циркулярно поляризованного возбуждения к линейно поляризованному. Это различие наблюдалось нами при изучении ЦФГЭ и ЛФГЭ при высоких уровнях оптического возбуждения. Результаты соответствующих экспериментов показывают, что в арсенид-галлиевой квантово-размерной структуре р-типа фототок ]х зависит от интенсивности возбуждающего излучения I по закону ]х ос 1/(1 + ///,). Причем интенсивность насыщения 1В при возбуждении циркулярно поляризованным излучением ниже, чем при возбуждении линейно поляризованным.

Анализ наблюдаемого нелинейного поведения фототока в рамках генерационно-рекомбинационной модели позволил предложить способ

определения времени спиновой релаксации дырок rs. Были получены температурные зависимости величины rs для структур с различными ширинами квантовых ям [А8-А10]. Обнаруженное увеличение времени спиновой релаксации при уменьшении ширины квантовых ям согласуется с теоретическим предсказанием [7].

Таким образом, нелинейность ЦФГЭ при высоких уровнях возбуждения может быть использована для исследования кинетики спиновой системы полупроводниковых структур. Отличительной чертой экспериментов, в которых используется внутриэонное возбуждение, является монополярность спиновой ориентации, что позволяет избежать электрон-дырочного взаимодействия и образования экситонов.

Спиновые фототоки были обнаружены также в кремний-германиевых структурах [А11-А13]. В симметричных SiGe структурах, выращенных в направлении [001], ЦФГЭ невозможен ввиду центросиммет-ричности структуры объемных германия и кремния. Однако, в асимметричных квантово-размерных SiGe структурах ЦФГЭ может наблюдаться благодаря спиновому расщеплению, обусловленному действием встроенного электрического поля (структурной асимметрии). Наиболее отчетливо эффект наблюдался при межподзонных переходах hhl — Ihl в кремний-германиевых структурах р-типа, выращенных на (001)-подложках. При наклонном возбуждении излучением СОг лазера наблюдался сигнал, пропорциональный степени циркулярной поляризации. Возбуждение как вдоль (110), так и вдоль (100) кристаллографических направлений вызывало фототок, направленный перпендикулярно плоскости падения возбуждающего излучения. Существование только поперечного эффекта вполне естественно для гетероструктур на основе центросимметричных полупроводников, поскольку продольный ток обусловлен объемной асимметрией (слагаемое Дрессельхауса). При возбуждении излучением дальнего ИК диапазона наблюдается сложная зависимость величины фототока от фазового угла <р, определяющего степень циркулярной поляризации света (Pcirc = sin 2^). И в асимметричных (001)-, и в (ПЗ)-структурах эта зависимость может быть описана как сумма двух слагаемых, одно из которых пропорционально sin 2tp,

а другое ос sin4<¿>. Очевидно, что первое слагаемое соответствует вкладу ЦФГЭ, тогда как второе отражает роль ЛФГЭ. Для циркулярно поляризованного излучения слагаемое, пропорциональное sin 4<р, равно нулю и, следовательно, измеряемый ток обусловлен только ЦФГЭ. Это позволяет экспериментально выделить вклад циркулярного фотогальванического эффекта и изучить зависимость связанного с ЦФГЭ тока от угла падения возбуждающего излучения. Для обоих спектральных диапазонов она оказалась такой же, как и для А3В5 структур соответствующих симметрий.

Генерация фототока, величина которого пропорциональна степени циркулярной поляризации возбуждающего излучения, свидетельствует о снятии спинового вырождения в асимметричных кремний-германиевых гетероструктурах. Рассмотренные экспериментальные результаты объясняются создаваемой в процессе фотовозбуждения импульсной асимметрией распределения носителей, которая и вызывает ЦФГЭ. Однако, поскольку характерное время спиновой релаксации превышает время релаксации импульса, спиновый фототок может существовать и по окончании процесса релаксации импульса благодаря асимметрии процесса спиновой релаксации. Об этом эффекте — мы назвали его спин-гальваническим — идет речь в Третьей главе.

Спин-гальванический эффект (СГЭ) обусловлен процессами спиновой релаксации в низкоразмерных структурах, которые по своей симметрии принадлежат к одному из гиротропных классов [А14]. Это явление может наблюдаться при любом способе создания спиновой поляризации, например, при спиновой инжекции. Феноменологически электрический ток j (вектор) связан с полным электронным спином S (псевдовектором) соотношением jQ = Qaf)Sp. В отличие от объемных полупроводников со структурой цинковой обманки, в А3В5 гетероструктурах существуют ненулевые компоненты Qim. Симметрийный анализ показывает, что в структурах, выращенных вдоль направления г |[ [001], для получения спинового тока необходимо создание спиновой компоненты в плоскости структуры.

Фототок, обусловленный спин-гальваническим эффектом, был обна-

ружен и экспериментально исследован в GaAs/AlGaAs и InAs/AlGaSb (001)-структурах n-типа [А14,А15]. Однородная спиновая поляризация вдоль направления роста структуры So¿ возникала за счет внутризон-ного поглощения падающего по нормали циркулярно поляризованного излучения. В такой геометрии эксперимента удается избежать тока, вызванного ЦФГЭ. Но создание S0z не приводит и к генерации спин-гальванического тока ввиду отсутствия компоненты неравновесного спина, параллельной плоскости квантовой ямы. Однако, при приложении магнитного поля, лежащего в плоскости структуры, например В || х, благодаря ларморовской прецессии спина появляется необходи-

мая компонента Sy:

Sv - -iXr,)2 ' (2)

где т3 = а г3ц и т,± - продольное и поперечное времена спино-

вой релаксации, - ларморовская частота. Это явление, известное как эффект Ханле [1], дает возможность наблюдать спин-гальванический эффект как при внутризонном, так и при межзонном поглощении излучения. Знаменатель в выражении (2) определяет уменьшение Бу при значении , превышающем величину обратного времени спиновой релаксации.

В слабых магнитных полях В, когда си^т, < 1, было обнаружено линейное по полю возрастание фототока (рис. 4), что соответствует формуле (2). Эффект наблюдался в температурном интервале 4.2 4- 300 К в полях напряженностью до 1 Т. Направление тока зависело как от знака циркулярной поляризации возбуждающего излучения, так и от направления приложенного магнитного поля. В поле, направленном вдоль одной из (110) кристаллографических осей, ток, пропорциональный Рсггс, возникал лишь в направлении, параллельном (или антипараллелыюм) вектору магнитного поля. При условии В || (100) наблюдался как поперечный по полю, так и продольный эффект. Эти результаты, а также вид зависимости фототока от степени циркулярной поляризации, находятся в полном согласии с феноменологическим описанием эффекта.

В более сильных магнитных полях зависимость фототока от напряженности магнитного поля достигает максимума. Дальнейшее возраста-

5 <

m

О

8 4 О -4 -8

right circularly polarized light

%

>X . •

n- GaAs heterojunct Г - 293 K, X=280 )im

left circularly polarized light

-800 -400 0

ex(mT)

400 800

Рис. 4: Зависимость спин-гальванического тока ]Т) нормализованного на мощность излучения Р, от магнитного поля при внутриподзонном возбуждении (А = 280 /¿т), Т = 293 К. Результаты получены для одиночного (001) СаАв/АЮаАв гетероперехода при использовании ст+ и а- излучения.

нис В сопровождается уменьшением фототока. Такой вид зависимости хорошо описывается выражением (2). Наблюдение эффекта Ханле является убедительным свидетельством того, что оптическая ориентация возникает и при внутриподзонном поглощении излучения. Результаты этого эксперимента позволяют по положению максимума зависимости тока от магнитного поля, которое соответствует условию w¿ts = 1, определить время спиновой релаксации rs. В исследованном образце при Т = 4.2 К оно оказалось равным 40 ps.

В GaAs/AlGaAs структурах р-типа при внутризонном возбуждении достигается оптическая ориентация дырок, но спин-гальванический эффект в указанных выше условиях не наблюдается. Это объясняется тем, что ввиду малости ^-фактора дырок в плоскости квантового слоя лар-моровская прецессия спина оказывается неэффективной. В этих образцах эффект был обнаружен только при межзонном возбуждении [А 16]. При этом ток обусловлен спиновой ориентацией неосновных носителей заряда - фотовозбужденных электронов.

Спин-гальванический эффект наблюдался и при межподзонном возбуждении в GaAs/AlGaAs структурах n-типа [А15]. Исследовались об-

разцы, содержащие квантовые ямы шириной 8.2 и 8.8 пш. Возбуждение осуществлялось падающим по нормали излучением СОг лазера. Спектральная зависимость спин-гальванического тока, в отличие от случая ЦФГЭ, повторяет спектр поглощения изучаемой структуры.

Полученные экспериментальные результаты согласуются с результатами микроскопического рассмотрения, изложенными в этой главе. Показано, что СГЭ обусловлен рассеянием с переворотом спина, которое в гиротропных средах асимметрично в ^-пространстве. Спиновая поляризация носителей в нижней подзоне размерного квантования создается за счет резонансного спин-зависимого возбуждения и последующей термализации. Поэтому величина тока, пропорциональная полному электронному спину, определяется коэффициентом поглощения и не зависит от значения волнового вектора к, при котором возможны оптические переходы при заданной энергии кванта. Таким образом объясняется принципиальное различие спектрального поведения ЦФГЭ и спин-гальванического эффекта.

Указанные спектральные особенности эффектов позволяют выявить спин-гальванический ток без приложения внешнего магнитного поля. Необходимая для генерации тока компонента спина в плоскости структуры может быть создана путем использования наклонного падения излучения. При этом, естественно, возникает и ЦФГЭ, который маскирует спин-гальванический ток. Однако, для ЦФГЭ характерна спектральная инверсия тока вблизи резонанса поглощения. Поэтому ток, наблюдаемый при резонансной частоте, обусловлен именно СГЭ, который при ^ = £21 достигает своего максимума [А17].

Отметим, что в рамках простой однозонной модели в приближении эффективной массы межподзонные переходы в структурах п-типа нечувствительны к степени циркулярной поляризации излучения и происходят только под действием света, имеющего отличную от нуля компоненту вектора поляризации в направлении роста структуры {р-поляризация). В наших экспериментах при нормальном падении излучения межподзонные переходы ei - е2 происходят при отсутствии перпендикулярной слою компоненты электрического поля световой волны.

Механизм генерации неравновесного спина в этой геометрии рассматривается в заключительной части главы. Поглощение поляризованного в плоскости гетероструктуры излучения и оптическая ориентация возникают благодаря к ■ р подмешиванию состояний сложной валентной зоны к волновым функциям зоны проводимости [A3]. Спиновая поляризация при внутриподзонном поглощении (поглощении Друде) может быть описана при учете виртуальных процессов с промежуточными состояниями в валентной зоне и ее спин-орбитального расщепления [А18].

Спин-гальванический эффект, наблюдаемый при приложении магнитного поля, является одним из целого ряда магнитоиндуцированных фотогальванических эффектов, которые могут наблюдаться в низкоразмерных полупроводниковых структурах. Их детальному исследованию посвящена Четвертая глава диссертации.

В предыдущих разделах обсуждалась генерация спинового фототока при облучении образца циркулярно поляризованным светом, поглощение которого приводит к оптической ориентации носителей заряда. Направление электрического тока при этом зависит от злака циркулярной поляризации возбуждающего излучения.

Однако, приложение магнитного поля делает возможной генерацию тока в гетероструктуре даже под действием неполяризованного света. Нами изучались спиновые фототоки в квантово-размерных структурах при поглощении излучения дальнего ИК диапазона [А19,А20]. Было показано, что микроскопическая природа эффектов связана с гиро-тропией А3В5 наноструктур, что позволило классифицировать их как магнито-гиротропные фотогальванические эффекты.

Рассматривается нормальное падение возбуждающего излучения на А3В5 (001)-гетероструктуру, находящуюся в магнитном поле, параллельном плоскости квантовой ямы, В || у || [110]. Феноменологически компоненты тока, вызванного магнитоиндуцированными ФГЭ, описываются следующим образом:

jx = SiBI + S2B (|ех|2 - \еу\2) J; jy = S3B (<гхе*у + eye*x) I + S4BIPcnc,

где I - интенсивность света, e - единичный вектор поляризации излучения. Очевидно, что слагаемое, содержащее коэффициент S\, соответ-

ствует фототоку, величина которого не зависит от поляризации возбуждающего света. Все остальные слагаемые имеют специфические поляризационные зависимости, что позволяет при варьировании геометрии эксперимента выявлять вклад каждого из них. Легко видеть, например, что слагаемые, содержадцие множители ¿>2 и 5з, обращаются в ноль при возбуждении циркулярно поляризованным светом, тогда как вклад, содержащий коэффициент и описывающий СГЭ, напротив, достигает при этом своего максимального значения.

В экспериментах исследовались СаАэ/АЮаАз и 1пАз/АЮа8Ь структуры п-типа, выращенные в направлении [001]. Образцы различались как величинами подвижности электронов, так и профилями и уровнями легирования. Возбуждающее излучение (А = 148 дш) падало по нормали к плоскости образца. Магнитное поле было направлено параллельно плоскости структуры вдоль одной из <110> осей. Регистрировался фо-тоток, возникающий в образце, находящемся при комнатной температуре. Варьировалась поляризация излучения и направление магнитного поля. В структурах с высокой подвижностью носителей параллельная магнитному полю компонента фототока была пропорциональна степени циркулярной поляризации излучения РС1ГС (при линейной поляризации света ток не возникал), тогда как перпендикулярная составляющая не зависела от состояния поляризации света. В образце, характеризующемся низкой подвижностью, также наблюдался поляризационно независимый вклад. Однако, в обоих направлениях доминировали токи, достигающие своего максимального значения при линейной поляризации света (т.е. при РС1Г( = 0) и зависящие от ориентации линейной поляризации относительно кристаллографических осей. Эти зависимости хорошо описываются входящими в выражение (3) слагаемыми, содержащими коэффициенты £>2 и б'з.

Анализ возможных микроскопических механизмов эффекта позволил выделить наиболее существенные процессы, ответственные за генерацию тока. Его возникновение может быть вызвано асимметрией процессов энергетической и спиновой релаксации фотовозбужденных носителей. Качественное описание этих механизмов состоит в следу-

ющем. Поглощение света приводит к разогреву электронного газа и возникновению неравновесного распределения носителей но энергии. Электрон-фононное взаимодействие, ответственное за релаксационные процессы, в гиротропной среде является спин-зависимым. Таким образом, в функции распределения появляется нечетная по волновому вектору поправка [4], что в условиях неодинаковых заселенностей "spin-up" и "spin-down" подзон приводит к возникновению тока. Другим релаксационным механизмом магнитоиндуцированного ФГЭ может быть асимметрия процесса спиновой релаксации, то есть спин-гальванический эффект. Наряду с релаксационными процессами, вклад в магнитоиндуци-рованные ФГЭ может вносить и присущая гиротропной среде асимметрия процесса внутриподзонного фотовозбуждения [8]. Указанная особенность приводит к асимметричному распределению фотовозбужденных носителей внутри каждой из спиновых подзон. Это обстоятельство при неодинаковых заселенностях подзон (что обусловлено зеема-новским расщеплением) вызывает появление электрического тока. Очевидно, что токи, обусловленные асимметрией фотовозбуждения, могут быть поляризационно зависимыми. Таким образом, в нашей работе показано, что при приложении магнитного поля поглощение Друде вызывает электрический ток в квантово-размерных структурах. Экспериментальные данные и анализ микроскопических моделей показывают, что обнаруженные фототоки вызваны спин-зависимыми процессами и обусловлены гиротропией среды.

Исследование магнито-гиротропных эффектов позволяет оценить соотношение величин спиновых расщеплений, связанных с объемной и структурной асимметрией [А1]. Эта возможность связана с различием кристаллографических направлений, вдоль которых могут быть направлены токи, определяемые объемной и структурной асимметрией. Рассмотрим двумерную А3В5 структуру, выращенную в направлении [001]. Спин-орбитальное взаимодействие приводит к появлению в гамильтониане слагаемого вида

HsO = 0S!A{<7x'ky' ~ <Ty'kx') + pBIA{&x'kx' - Vy'ky') , (4) в котором первый член в правой части представляет собой слагаемое

Рашба, а второй - слагаемое Дрессельхауса (здесь оси х' и у' параллельны кристаллографическим направлениям [100] и [010], соответственно). Очевидно, что спин-гальванический ток, определяемый слагаемым Рашба, направлен перпендикулярно неравновесному спину 5ц, лежащему в плоскости двумерной структуры, тогда как при 5ц = (¿v,0) или 5ц = (0, Sy>) ток, вызванный вкладом второго слагаемого, параллелен (или антипараллелен) неравновесному спину. Следовательно, спин-гальванический ток представим в виде суммы токов, связанных со структурной и объемной асимметрией, jft и jo- Направление результирующего тока определяется соотношением коэффициентов Psi а и Pui а-Очевидно, что зная из эксперимента отношение токов можно сразу же определить величину отношения Psi л / Pbia — Jr/Îd-

В эксперименте изучались выращенные в направлении [001] InAs/Alo 3Gao 7Sb структуры n-типа, содержащие одиночные квантовые ямы шириной 15 пш. Контакты по периметру образцов позволяли измерять величину фототока в различных направлениях и определять угловую зависимость J (©). Оптическое возбуждение осуществлялось падающим по нормали излучением (А = 148 цт). Параллельное плоскости структуры магнитное поле В позволяло создавать компоненту неравновесного спина 5ц, направление которой задается выбором ориентации магнитного поля. Образец находился при комнатной температуре. Измерения проводились при двух - <7+ и <т_ — поляризациях возбуждающего излучения. Интересующий нас спин-гальванический ток jsGE определялся путем вычитания вклада поляризационно независимого тока: jscE = (ja+ ~ ja- ) / 2. Результаты эксперимента позволили определить, что îr/jd =2.1.

Более подробное исследование состояло в измерении угловых распределений фототоков, возникающих при различных направлениях неравновесного спина. Весь набор экспериментальных зависимостей j(6), полученных при ориентации 5ц вдоль одной из [100], [110] или [110] кристаллографических осей, легко описывается при соотношении Jr/Jd — 2.1 без использования подгоночных параметров.

Полученное значение Psi а / Pbi а хорошо согласуется с результатом

теоретического анализа, предсказывающего, что в 1пАя структурах доминирует спиновое расщепление, обусловленное структурной асимметрией. Расчет, выполненный для структур, которые по своим параметрам близки к исследованным нами образцам [9], показал, что значение /3$1а / 0В1А находится в интервале 1.6 ~ 1.85. Это согласуется с полученным нами значением. Отметим, что в отличие от оценок отношения Рвгл /Рв1А, выполненных по результатам экспериментального изучения рамановского рассеяния и транспортных исследований, изложенный метод не требует каких-либо предварительных теоретических расчетов или предположений.

Внутризонное поглощение излучения может сопровождаться увеличением электронной температуры. Исследованию нелинейно-оптических эффектов, обусловленных разогревом электронов в СВЧ иоле, посвящена Пятая глава. Горячие носители заряда в полупроводниках давно привлекает к себе пристальное внимание [10]. Особый интерес представляют неустойчивости и неравновесные фазовые переходы в электронно-дырочной плазме [2].

В нашей работе изучен ряд новых нелинейно-оптических эффектов, возникающих при разогреве электронов в электрическом СВЧ поле. При гелиевых температурах в кремнии была обнаружена биста-бильность фотопроводимости и люминесценции, вызванная тепловым пробоем экситонов; наблюдался значительный рост интенсивности эк-ситонной люминесценции, сопровождающийся уменьшением свечения экситон-примесных комплексов (ЭПК). Исследование специфики разогрева носителей микроволновым полем в арсениде галлия привело к обнаружению формирования пространственно неоднородных структур в электронной системе полупроводника.

В условиях слабого теплоотвода рост электронной температуры может вызвать нагрев кристалла. Это ведет к ионизации экситонов и, тем самым, к росту концентрации свободных носителей. Ввиду чего увеличивается СВЧ поглощение, что вызывает дальнейший рост температуры решетки. Подобная положительная обратная связь может привести к тепловому пробою, который представляет собой лавинообразное уве-

личение температуры и проводимости образца.

Эффект теплового пробоя экситонов наблюдался нами в кристаллах кремния, находящихся в парах гелия при температуре от 2 до 8 К.

Образец с концентрацией примесей ~ 5 • 1012 ст_3 помещался в короткозамкнутый отрезок волновода 8 тю диапазона (/ = 36 СНг). В центр пластины фокусировалось излучение Не-Ке лазера (Лш = 1.96 еУ). Пробой проявляется в скачкообразном изменении температуры образца Т, интенсивности и спектрального состава фотолюминесценции (ФЛ), а также величины поглощаемой кристаллом СВЧ мощности и формы линии циклотронного резонанса (ЦР). Зависимости указанных величии от уровня оптического возбуждения и напряженности приложенного поля демонстрируют гистсрезис-ный характер |А23,А24]. На рис. 5 приведены зависимости

&

О » 1 о

Excitation power (mW)

Рис. 5: Зависимости интенсивности экси-тонпой люминесценции и величины СВЧ поглощения от мощности оптического возбуждения, То = 4 К.

величин микроволнового поглощения и интенсивности экситонной люминесценции от мощности возбуждающего излучения. Эти результаты получены при плавном увеличении уровня оптического возбуждения и последующем уменьшении накачки. Анализ формы спектров ФЛ позволил установить, что в момент пробоя (переход ВБ на рис. 5) температура образца возрастает от 11 до 25 К. При последующем уменьшении СВЧ поглощения переключение в "холодное" состояние (переход ЕА) сопровождается скачком температуры от 18 до 8 К.

Решение системы стационарных уравнений, описывающих тепловой баланс и генерационно-рекомбинационные процессы в электрон-экситонной системе, позволило установить область параметров биста-билыгой области, в которой зависимость температуры образца от величины поглощаемой мощности является 5-образной. Эти значения близки к тем, что определялись в эксперименте.

Пороговый характер эффекта, существование гистерезиса и явление критического замедления, наблюдавшееся при исследовании динамики переключения, позволяют рассматривать тепловой пробой экситонов как неравновесный фазовый переход I рода.

В случае приложения импульсного (At ~ 3 fis) СВЧ поля, когда нагрева кристалла не происходит, наблюдаются автоколебания СВЧ фотопроводимости, частота которых (0.5 4- 5 MHz) зависит от СВЧ мощности и интенсивности фотовозбуждения. Эти данные согласуются с результатами соответствующих расчетов.

И при хорошем теплоотводе, когда рост Т невозможен, стационарный разогрев электронного газа существенным образом изменяет вид спектра ФЛ: интенсивность излучения свободных экситонов пороговым образом возрастает в 2-f3 раза, а рекомбинационное излучение ЭПК заметно уменьшается. Одновременно наблюдается уширение линии излучения свободных экситонов и перераспределение в ней интенсивностей LO и ТО фононных повторений [А25]. Наблюдаемые явления объясняются ударной ионизацией ЭПК и нагревом экситонного газа в результате электрон-экситонных соударений. Анализ экспериментальных данных, в том числе кинетики ФЛ, позволяет оценить рекомбинационное время жизни экситона и время его захвата на примесный центр.

В арсениде галлия при возрастании электронной температуры в электрическом СВЧ поле наблюдается плавное уменьшение интенсивности ФЛ свободных и связанных на мелких примесях экситонов [A26J. Анализ генерационно-релаксационных процессов показал, что в пря-мозонных полупроводниках такое поведение обусловлено зависимостью сечения связывания в экситоны от электронной температуры. Обычно наблюдаемый пороговый характер гашения экситонной люминесценции

ваАБ в постоянном электрическом поле объясняется, как свидетельствуют результаты наших экспериментов, неоднородностью распределения постоянного электрического поля.

В чистых слоях СаАв наиболее сильное действие греющего СВЧ поля наблюдается при выполнении условий ЦР [А27-А29]. Отметим, что линия оптически детектируемого циклотронного резонанса существенно шире линии ЦР, получаемой при измерении микроволнового поглощения.

Приложение к полупроводнику постоянного электрического поля может сопровождаться возникновением в кристаллах токовых шнуров [2), в формировании которых существенную роль играют контакты. Процесс самоорганизации в электронной системе полупроводника, находящегося в однородном СВЧ поле, теоретически был рассмотрен в книге |11| и получил название "шрроваи молния в полупроводнике" ввиду отмеченного авторами некоторого сходства явлений.

В наших экспериментах поверхность ваАя образца.

помещенного в однородное СВЧ ноле, равномерно освещалась красными светодиодами. Люминесценция образца, находящегося при Т = 1.8 К, регистрировалась ИК видеокамерой с высоким пространственным разрешением. В отсутствие СВЧ поля наблюдалась однородная по поверхности ФЛ. С ростом микроволновой мощности Р при достижении пороговой величины Р+ в

г, с „ легированных образцах наблю-

1ис. о: Зависимость размера нелюминес-

цирующей области от мощности СВЧ по- примесный и экситонный

ля (Р+ ~ 10 тЛУ). пробой. Это выражалось в воз-

никновении резко очерченной

о

Е

£ г

о> аЗ /У

е го % л

и 1 / л.

со / Т

0 "1 I

.

Мюгстауе ро\мег, а.и.

области образца (диаметром D+ примерно 1 mm), в которой отсутствовало излучение. Эффект наблюдался во всем доступном нам диапазоне частот 27 -г 37 GHz [А29,А30].

В отличие от легированных образцов, в высокочистом GaAs подобные структуры не возникали: рост СВЧ поля сопровождался плавным и однородным по площади гашением экситонной ФЛ.

В легированном образце при росте поля выше порогового значения Р+ наблюдалось увеличение диаметра нелюминесцирующей области (рис. 6). Последующее снижение величины СВЧ мощности сопровождалось уменьшением диаметра структуры вплоть до резкого (порогового) его исчезновения при уровне мощности Р_, меньшем, чем Р+. Диаметр области на пороге исчезновения D- меньше, чем величина D+. Таким образом, зависимость D(P) носит явно выраженный гистерезис-ный характер, типичный для процесса фазового перехода первого рода. Метастабильные состояния, соответствующие верхней ветви зависимости D(P), весьма устойчивы. Они сохраняются даже при прерывании засветки образца на длительное - несколько минут - время. Это означает, что процессом, определяющим зарождение структуры, является пробой примесей, а не экситонов, поскольку и экситоны и фотовозбужденные носители рекомбинируют значительно быстрее, чем за 1 fis.

Гашение люминесценции свидетельствует о том, что внутри структуры концентрация электронов существенно выше, чем в окружающей области полупроводника. Это подтверждается и результатами дополнительного исследования проводимости образца при Р > Р+.

Обнаруженное качественное отличие поведения гашения ФЛ в образцах с различной концентрацией иримесей объясняется различием механизмов электронного рассеяния в этих кристаллах. Резкий пробой в легированных слоях может быть обусловлен эффектом убегания электронов, который сопровождается скачкообразным возрастанием электронной температуры [12]. Этот эффект возможен при рассеянии на ионизованных примесях и не может наблюдаться ири доминировании пьезоэлектрического рассеяния, характерного для чистых слоев GaAs [А27]. Поэтому в чистых образцах наблюдается плавное и

пространственно однородное гашение экситонной фотолюминесценции. Отметим, что подобное условие - более сильная температурная зависимость подвижности носителей - обеспечивает возможность наблюдения неустойчивостей в электронной системе полупроводника и в экспериментах на постоянном токе [10].

Основные результаты работы

1. Обнаружено и детально изучено новое физическое явление - генерация электрического тока, вызванная процессом спиновой релаксации (спин-гальванический эффект).

2. Показано, что внутризонное поглощение циркулярно поляризованного излучения приводит к созданию неравновесного спина в полупроводниковых гетероструктурах.

3. В двумерных полупроводниковых структурах обнаружен и исследован циркулярный фотогальванический эффект при резонансном межподзонном поглощении излучения. Наблюдалась спектральная инверсия эффекта.

4. В СаАз/АЮаАв структурах обнаружено и изучено спин-зависимое просветление и поперечный эффект Ханле. Это позволило определить время спиновой релаксации в условиях моно-нолярной спиновой ориентации.

5. Предложен и реализован экспериментальный метод разделения вкладов слагаемых Рашба и Дрессельхауса в тонкую структуру энергетического спектра.

6. Продемонстрировано, что асимметрия кремний-германиевых наноструктур приводит к снятию спинового вырождения.

7. Показано, что в прямозонных полупроводниках влияние разогрева электронов на экситонную люминесценцию определяется зависимостью сечения связывания в экситоны от электронной температуры.

8. В объемных полупроводниках в условиях разогрева неравновесных носителей заряда в электрическом СВЧ поле наблюдались нелинейные оптические и электрические явления: тепловой пробой экситонов и осцилляции электронной плотности.

9. Выявлена специфика формирования пространственно неоднородных структур в полупроводниках при примесном пробое в электрическом СВЧ поле.

Список публикаций по теме диссертации:

[А1]. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, L.E. Golub, E.L. Ivchenko, P. Schneider, S. Giglberger, J. Eroms, J. De Boeck, G. Borghs, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Experimental separation of Rashba and Dresselhaus spin-splittings in semiconductor quantum wells // Phys. Rev. Lett. 92, 256601 (2004).

[А2]. S.D. Ganichev, P. Schneider, V.V. Bel'kov, L.E. Golub, E.L. Ivchenko, S. Giglberger, J. Eroms, J. De Boeck, G. Borghs, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Experimental separation of Rashba and Dresselhaus spin-splittings in semiconductor quantum wells // Proc. 12th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2004), p.322.

[A3]. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, P. Schneider, E.L. Ivchenko, S.A. Tarasenko, D. Schuh, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Resonant inversion of the circular photogalvanic effect in n-doped quantum wells // Phys. Rev. В 68, 0353 (2003).

[А4]. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, P. Schneider, E.L. Ivchenko, S.A. Tarasenko, W. Wegscheider, D. Weiss, D. Schuh, E.V. Beregulin, W. Prettl, Inversion of the circular photogalvanic effect at resonance in n-doped quantum wells, Proc. 11th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2003), p.267.

[A5]. S.D Ganichev, S.N. Danilov, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, M. Bichler, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Spin-sensitive bleaching and momopolar spin orientation in quantum wells // Phys. Rev. Lett. 88, 057401 (2002).

[A6]. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, S.N. Danilov, E.L. Ivchenko, H. Ketterl, L.E. Vorobjev, M. Bichler, W. Wegscheider, W. Prettl, Nonlinear photogalvanic effect induced by monopolar spin orientation of holes in QWs // Physica E 10, 52 (2001).

[A7] S.D. Ganichev, S.N. Danilov, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, H. Ketterl, L.E. Vorobjev, W. Wegscheider, M. Bitchier, W. Prettl, Spin sensitive bleaching of absorption in p-type GaAs/AlGaAs QWs // Proc. 9th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2001), p.277.

[A8]. P. Schneider, S.D. Ganichev, J. Kainz, U. Rossler, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, V.V. Bel'kov, L.E. Golub, D. Schuh, Spinsensitive bleaching and spin relaxation in QW's // phys. stat. sol. (b) 238, 533 (2003).

[A9]. P. Schneider, J. Kainz, S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, S.N. Danilov, M.M. Glazov, L.E. Golub, U. Roessler, W. Wegscheider, D. Weiss, D. Schuh, W. Prettl, Spin relaxation times of two-dimensional holes from spin sensitive bleaching of inter-subband absorption //J. Appl. Phys. 96, 420 (2004).

[A10]. S.D. Ganichev, S.N. Danilov, M. Sollinger, D. Weiss, W. Wegscheider, W. Prettl, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, Monopolar spin orientation and determination of spin relaxation times in quantum well structures // MRS Symp. Proc. 690, eds. T.J. Klemmer, J.S. Sun, A. Fert, J. Bass, 5 (2001).

[All). S.D. Ganichev, U. Rossler, W. Prettl, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, R. Neumann, K. Brunner, G. Abstreiter, Removal of spin degeneracy in p-SiGe quantum wells demonstrated by spin photocurrents // Phys. Rev. B 66, 075328 (2002).

[A12], S.D. Ganichev, U. Rossler, W. Prettl, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, R.Neumann, K.Brunner, G.Abstreiter, Removal of spin degeneracy in SiGe based nanostructures // Proc. 10th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2002), p. 187.

[A 13]. V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, P. Schneider, D. Schowalter, U. Rossler, W. Prettl, E. L. Ivchenko, R. Neumann, K. Brunner, G. Abstreiter, Spin-photocurrent in p-SiGe quantum wells under terahertz laser irradiation // J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 16, 415 (2003).

[A14]. S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, D. Weiss, W. Wegscheider, W. Prettl, Spin-galvanic effect // Nature 417, 153 (2002).

[A15]. S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, D. Schowalter, D. Weiss, W. Wegscheider, W. Prettl, Spin-galvanic effect in quantum wells //J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 16, 369 (2003).

[A16]. V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, P. Schneider, C. Back, M. Oestereich, J. Rudolph, D. Haegele, L.E. Golub, W. Wegscheider, W. Prettl, Circular photogalvanic effect at inter-band excitation in semiconductor quantum wells // Solid State Commun. 128, 283 (2003).

[A17], S.D. Ganichev, P. Schneider, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, S.A. Tarasenko, W. Wegscheider, D. Weiss, D. Schuh, D.G. Clarke, M. Merrick, B.N. Murdin, P. Murzyn, P.J. Phillips, C.R. Pidgeon, E.V. Beregulin, W. Prettl, Spin-galvanic effect due to optical spin orientation // Phys. Rev. B. 68, 081302 (2003).

[A18]. S.A. Tarasenko, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, D. Schowalter, P. Schneider, M. Sollinger, W. Prettl, V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, L.E. Vorobjev, Optical spin orientation under inter-and intra-subband transitions in QWs //J. Supercond.. Incorp. Novel Magn. 16, 419 (2003).

[А 19]. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, F.-P. Kaltz, D. Weiss, J. Eroms, W. Prettl, Magnetic field induced circular photogalvanic effect in InAs quantum wells // Proc. 9th Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology (St. Petersburg, Russia, 2001), p.252.

[А20]. B.B. Бельков, Магнитоиндуцированный фотогальванический эффект в А3В5 структурах с квантовыми ямами / / Материалы Совещания "Нанофотоника" (Н. Новгород, 2003), с. 134.

[А21]. V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko et al., Magneto-gyrotropic photogalvanic effects in semiconductor quantum wells // Arxiv: cond-mat/0502191, J. Phys.: Cond. Matter 17, (2005).

[А22]. B.B. Бельков, С.Д. Ганичев, E.JI. Ивченко, Циркулярный фотогальванический эффект в наноструктурах // Тезисы докладов 6-ой Российской конф. по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2003), с. 106.

[А23]. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, А.В. Субашиев, Тепловой пробой экситонов // ФТТ 29, 1193 (1987).

[А24]. В.М. Ashkinadze, V.V. Bel'kov, A.V. Subashiev, Optical and electrical bistabilities induced by exciton ionization process // Phys. Stat. Sol (b) 150, 533 (1988-).

[А25]. Б.М. Ашкинадзе, B.B. Бельков, Взаимодействие горячих электронов с экситонами в кремнии // ФТТ 30, 1084 (1988).

[А26]. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, А.Г. Красинская, Воздействие горячих электронов на люминесценцию GaAs // ФТП 24, 883 (1990).

[А27]. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, А.Г. Красинская, Микроволновый циклотронный резонанс в чистом GaAs // ФТП 24, 572 (1990).

[А28]. В.М. Ashkinadze, V.V. Bel'kov, Microwave cyclotron resonance in pure GaAs, in Semiconductor Physics and Technology, Ed. by

M. Levinstein and M. Shur. 1995, World Scientific Publishing Co., p.482.

[А29]. B.B. Бельков, Ф.Г. Пикус, Спектральная зависимость подвижности фотовозбужденных электронов в GaAs // Письма в ЖЭТФ 54, 458 (1991).

[АЗО]. V.V. Bel'kov, J. Hirschinger, F.-J. Niedernostheide, S.D. Ganichev, W. Prettl, V. Novâk, Pattern formation in semiconductors / / Nature 397, 398 (1999).

[А31]. V.V. Bel'kov, J. Hirschinger, D. Schowalter, F.-J. Niedernostheide, S.D. Ganichev, W. Prettl, D. Mac Mathûna, V. Novak, Microwave induced patterns in n-GaAs // Phys. Rev. В 61, 13698 (2000).

Список литературы

[1| Оптическая ориентация, под ред. Б.П. Захарчени и Ф. Майера, Наука, JT-, 1989.

[2] Е. Schöll, Nonequilibrium Phase Transitions in Semiconductors, Springer, Berlin, 1998.

[3] Б.И. Стурман, B.M. Фридкин, Фотогалъвапический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления, Наука, М., 1992.

[4] E.L. Ivchenko, G.E. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures. Symmetry and Optical Phenomena, Springer, Berlin, 1997.

[5] B.M. Аснин, A.A. Бакун, A.M. Данишевский, E.JI. Ивченко, Г.Е. Пикус, A.A. Рогачев, Письма в ЖЭТФ 28, 80 (1978).

[6] S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, S.N. Danilov, J. Eroms, W. Wcgscheider, D. Weiss, W Prettl, Phys. Rev. Lett. 86, 4358 (2001).

[7] R. Ferreira, G. Bastard, Phys. Rev. B. 43, 9687 (1991).

roc.

НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург ОЭ Шо *tr

[8] С.А. Тарасенко, Е.Л. Ивченко, Письма в ЖЭТФ 81, 292 (2005).

[9] Р. Pfeffer, W. Zawadzki, Phys. Rev. В 59, R5312 (1999).

[10] Э. Конуэлл, Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях, Мир, М., 1970.

[11] B.S. Keiner, V.V. Osipov, Autosolitons, Kluwer, Dordrecht, 1994.

[12] И.Б. Левинсон, ФТТ 7, 1362 (1965).

РНБ Русский фонд

2006-4 3028

»-527t

Введение

1 Фототоки, обусловленные спиновой ориентацией

1.1 Линейное по волновому вектору слагаемое в эффективном гамильтониане.

1.2 Спиновое расщепление в А3В5 квантово-размерных структурах.

1.3 Циркулярный фотогальванический эффект.

1.3.1 Микроскопическая модель.

1.3.2 Феноменологическое описание ЦФГЭ

1.4 Независящие от спина фототоки при однородном возбуждении

1.4.1 Линейный фотогальванический эффект.

1.4.2 Эффект увлечения.

2 Циркулярный фотогальванический эффект в полупроводниковых гетероструктурах

2.1 Методика эксперимента.

2.1.1 Образцы.

2.1.2 Экспериментальная техника.

2.2 ЦФГЭ при межподзонном возбуждении в СаАз/АЮаАв структурах п—типа

2.2.1 Экспериментальные результаты

2.2.2 Спектральная инверсия ЦФГЭ при резонансных межподзонных переходах.

2.2.3 Микроскопический механизм резонансного ЦФГЭ

2.3 Спин-зависимая нелинейность циркулярного фотогальванического эффекта.

2.4 ЦФГЭ в кремний-германиевых структурах.

3 Спин-гальванический эффект

3.1 Феноменологическое описание спин-гальванического эффекта

3.1.1 Спин-гальванический эффект при оптической ориентации.

I 3.1.2 Спин-гальванический эффект в магнитном поле

3.2 Экспериментальные результаты

3.2.1 Спин-гальванический эффект в магнитном поле

3.2.2 Спин-гальванический эффект при межподзонном возбуждении.

3.2.3 Спин-гальванический эффект в отсутствие магнитного поля.

3.3 Микроскопическая модель спин-гальванического эффекта

3.4 Микроскопическая теория спин-гальванического эффекта

3.5 Монополярная спиновая ориентация.

3.5.1 Прямые переходы между подзонами размерного квантования.

3.5.2 Внутриподзонное поглощение, непрямые переходы

4 Магнито-гиротропные фотогальванические эффекты

4.1 Феноменология магнито-гиротропных ФГЭ.

4.2 Результаты эксперимента.

4.3 Микроскопическая модель магнито-гиротропных ФГЭ

4.4 Экспериментальное разделение спиновых расщеплений, связанных с объемной и структурной асимметрией

5 Нелинейно-оптические явления при разогреве носителей заряда в микроволновом поле

5.1 Тепловой пробой экситонов.

5.1.1 Экспериментальные результаты

5.1.2 Микроскопическая модель теплового пробоя экситонов

5.1.3 Кинетика теплового пробоя экситонов.

5.1.4 Автоколебания в электрон-экситонной системе

5.2 Ударная ионизация экситонов в кремнии в электрическом СВЧ поле

5.3 Разогрев электронов в арсениде галлия.

5.3.1 Экспериментальные результаты

5.3.2 Влияние разогрева электронов на процесс связывания в экситоны.

5.3.3 Микроволновый циклотронный резонанс в арсениде галлия.

5.3.4 Гашение люминесценции при разогреве электронов в постоянном электрическом поле

5.4 Формирование пространственно-неоднородных структур при разогреве электронов в СВЧ поле.

Основные результаты

Актуальность темы. Спектр физических явлений, обусловленных воздействием миллиметрового и субмиллиметрового излучения на полупроводники, чрезвычайно широк. Среди них внутри- и межподзонное поглощение в квантово-размерных структурах, процессы с участием оптических фононов, разогрев свободных носителей заряда, ионизация экситонов и мелких примесей. Использование интенсивного тера-герцового излучения дает возможность наблюдать многофотонное поглощение, эффект увлечения электронов фотонами, туннелирование в высокочастотном электрическом поле. Внутризонное поглощение эллиптически поляризованного излучения может приводить к генерации неравновесного спина в полупроводниках. Этот эффект сочетает в себе особенности двух широко известных способов создания спиновой ориентации. С одной стороны, речь идет об оптической ориентации (как и при межзонном возбуждении циркулярно поляризованным светом [1]), с другой - как и в случае спиновой инжекции, процесс затрагивает лишь один сорт носителей заряда, что позволяет говорить о монополярной спиновой .ориентации. Спин-зависимые эффекты в низкоразмерных полупроводниковых структурах являются в настоящее время предметом интенсивных исследований, что обусловлено надеждами на создание нового поколения приборов, сочетающих в себе достоинства полупроводниковых и магнитных материалов. Низкая по сравнению с объемными кристаллами симметрия наноструктур позволяет наблюдать принципиально новые явления, которые невозможны в объемных полупроводниках. К их числу относятся спин-зависимые фотогальванические эффекты. Исследование этих явлений в условиях внутризонного возбуждения дает возможность выявлять специфику спинового расщепления в низкоразмерных полупроводниковых структурах, получать информацию о кинетике процесса спиновой релаксации, а также предоставляет новые возможности для изучения симметрии наноструктур.

Воздействие субмиллиметрового излучения приводит и к росту температуры электронного газа в полупроводнике. Однако, более эффективный разогрев свободных носителей заряда достигается при поглощении излучения миллиметрового диапазона, то есть при воздействии электрического СВЧ поля. Рост энергии носителей заряда изменяет как параметры электронного транспорта, так и, благодаря ударной ионизации связанных состояний (примесей, экситонов), их концентрацию. Далекие от термодинамически равновесных состояния сравнительно легко достигаются путем приложения внешних полей. Возможность модуляции поля и высокое временное разрешение регистрации отклика электронной системы позволяют изучать кинетику неравновесных систем. Таким образом, электронный газ в полупроводниках является хорошим модельным объектом для исследования общих закономерностей неравновесных фазовых переходов и процессов самоорганизации [2]. Отметим, что и начало изучения влияния сильных электрических полей на поведение электронов в полупроводниках было связано с удобством моделирования загадочного тогда - полвека назад - процесса электрического пробоя диэлектриков. Очевидным достоинством исследований с использованием высокочастотного излу

Т чения является бесконтактный характер приложения электрического поля.

Целью работы является обнаружение, исследование и выявление микроскопических механизмов новых фотогальванических и нелинейно-оптических эффектов, обусловленных неравновесными процессами в полупроводниках при внутризонном поглощении.

Объекты и методы исследования: Использование субмиллиметрового и микроволнового излучения позволяет бесконтактно прикладывать однородные электрические поля к объемным полупроводникам и низкоразмерным полупроводниковым структурам. Регистрируемые гальванические сигналы, величина СВЧ поглощения, а также спектры, кинетика и пространственное распределение фотолюминесценции нес-^ ли информацию о физических процессах в исследуемых структурах.

Научная новизна работы состоит в обнаружении целого ряда новых физических эффектов, обусловленных спин-зависимыми процессами в полупроводниках и нелинейными явлениями, характерными для далеких от термодинамического равновесия систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Внутризонное поглощение эллиптически поляризованного излучения приводит к созданию неравновесного спина в полупроводниковых гетероструктурах.

2. Процесс спиновой релаксации в двумерных А3В5 структурах сопровождается генерацией тока в плоскости структуры (спин-гальванический эффект).

3. Циркулярный фотогальванический эффект, обусловленный резонансными межподзонными переходами в двумерных структурах n-типа, демонстрирует спектральную инверсию.

4. Направление тока, вызванного спин-зависимыми фотогальваническими эффектами в полупроводниковых гетероструктурах, определяется природой спинового расщепления.

5. Разогрев неравновесных носителей заряда в электрическом СВЧ поле вызывает тепловой пробой экситонов.

6. Ударная ионизация примесей в микроволновом поле приводит к формированию пространственно неоднородных структур.

Апробация работы: результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях: б Всероссийская конференция по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2003); Совещание "Нанофотонйка" (Н.Новгород, 2003); 1 — 3 Международные конференции по физике спин-зависимых явлений в полупроводниках (Сендай, 2000, Вюрцбург, 2002, Санта-Барбара, 2004); 25-27 Международные конференции по физике полупроводников (Осака, 2000, Эдинбург, 2002, Флагстаф 2004); 9 — 12 Международные симпозиумы "Наноструктуры: физика и технология" (Санкт-Петербург, 2001-2004); Симпозиумы Общества по исследованию материалов (Бостон, 2001, 2003), 13 Конференция Европейского физического общества (Регенс-бург, 1993); Конференция "Физические принципы новых материалов оптоэлектроники" (Аахен, 1990); 11 и 12 Всесоюзные конференции по физике полупроводников (Кишинев 1988, Киев 1990); Международная конференция "Оптическая нелинейность и бистабильность в полупроводниках" (Берлин, 1988); Международные конференции "Экситоны-84", "Экситоны-86", "Экситоны-87" (Гюстроф, 1984, Ленинград, 1986, Вильнюс, 1987); Всесоюзная конференция "Люминесценция-87" (Таллинн, 1987); Международные симпозиумы "Нелинейная оптика и кинетика возбуждения в полупроводниках" (Бад-Штуер, 1987, Карлсруэ, 2003). Результаты работы докладывались также на семинарах различных лабораторий ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, в СПбГУ, СПбГПУ, МГУ им. М.В. Ломоносова, Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, Институте спектроскопии РАН, Институте физики твердого тела РАН, Институте радиотехники и электроники РАН, университетах Регенсбурга и Ганновера, Техническом университете Мюнхена. Основное содержание работы опубликовано в 31 статье, список публикаций приведен в конце диссертации.

Исследование спиновой системы полупроводников позволило обнаружить немало интересных физических эффектов. В последнее время интерес к спин-зависимым явлениям усилился в связи с надеждами на создание новых полупроводниковых приборных структур, в которых спин носителей заряда используется наряду с самим зарядом [3]. Необходимыми условиями создания приборов спинтроники является возможность достижения высокой степени спиновой поляризации в низкоразмерной структуре и снятие спинового вырождения зоны проводимости. Наличие расщепления, обусловленного линейным по волновому вектору к слагаемым в эффективном гамильтониане, позволяет управлять спином путем приложения внешнего электрического поля [4]. В последнее время достигнут существенный прогресс в осуществлении спиновой инжекции, изучении природы спинового расщепления и его использования для управления состоянием спиновой системы полупроводниковой гетероструктуры. Наиболее широко используемым способом создания и исследования спиновой поляризации является оптическая ориентация [1]. Оптическое возбуждение неравновесного спинового распределения может приводить к появлению спиновой фотопроводимости и спинового фототока. В первом случае спиновая поляризация изменяет проводимость полупроводника, что при приложении внешнего электрического поля приводит к спин-поляризованному току [5, 6, 7].

В двумерных А3В5 структурах, для которых характерно наличие спинового расщепления в /е-пространстве, наблюдался циркулярный фотогальванический эффект [8]. В этом случае однородное фотовозбуждение образца циркулярно поляризованным излучением приводит к неоднородному распределению фотовозбужденных носителей в к-пространстве, то есть к появлению электрического тока [9, 10, 11, 12]. Происходит это благодаря действию правил отбора и законов сохранения энергии и импульса-. При этом не нарушается однородность распределения носителей в реальном пространстве (Глава 2).

Еще один гальванический эффект обусловлен неравновесной спиновой поляризацией электронов в двумерных структурах. Полученная каким-либо способом (не обязательно оптическим) однородная спиновая ориентация приводит к генерации электрического тока в квантово-размерных структурах, симметрия которых допускает наличие в гамильтониане линейного по волновому вектору слагаемого [13,14]. Этот эффект мы назвали спин-гальваническим [15]. Необычность явления состоит в том, что ток. возникает при пространственно однородном спиновом распределении и в отсутствие электрического поля (Глава 3). Микроскопически спин-гальванический эффект обусловлен асимметричностью процесса спиновой релаксации в системах со снятым спиновым вырождением [15, 16, 17].

В низкоразмерных полупроводниковых структурах, представляющих собой гиротропные среды, наблюдение спин-зависимого фотогальванического эффекта возможно и при использовании неполяризованного возбуждающего излучения. Доказательством тому служат обнаруженные и исследованные нами магнито-гиротропные эффекты (Глава 4).

Генерация спин-зависимого тока наблюдается в двумерных структурах п- и р-типа, созданных на основе различных полупроводниковых материалов, при использовании широкого спектрального диапазона излучения - от дальнего инфракрасного до видимого. Особый интерес представляет изучение спин-зависимых гальванических эффектов при внутризонном поглощении излучения. В этом случае, в отличие от обычно применяемого межзонного возбуждения [1], в процесс спиновой ориентации вовлечен лишь один тип носителей [15, 18, 19, 20, 21, 22], что позволяет избежать электрон-дырочного взаимодействия и образования экситонов. Тем самым достигается монополярная спиновая ориентация [15, 19, 20] и реализуются условия близкие к случаю спиновой инжекции. Отметим, что спин-зависимые фотогальванические эффекты могут найти практическое применение, например для создания анализаторов поляризации терагерцового излучения с пикосекундным временным разрешением.

Полученные нами экспериментальные результаты хорошо согласуются с феноменологической теорией. Это означает, что определив соотношение токов вдоль различных кристаллографических направлений, можно сделать вывод о соотношении вкладов механизмов спинового расщепления. Кроме того, исследованные фотогальванические эффекты дают возможность выявлять симметрию квантово-размерных структур.

Обнаруженный нелинейно-оптический эффект спин-зависимого просветления позволил определить параметры кинетики спиновой релаксации в условиях монополярной спиновой ориентации.

Нелинейно-оптические эффекты при внутризонном поглощении излучения могут быть обусловлены увеличением электронной температуры. Горячие носители заряда в полупроводниках давно привлекает к себе пристальное внимание [24]. Особый интерес представляют неустойчивости и неравновесные фазовые переходы в электронно-дырочной плазме [2].

В нашей работе изучен ряд новых нелинейно-оптических эффектов, возникающих при разогреве электронов в электрическом СВЧ поле. Была обнаружена бистабильность фотопроводимости и люминесценции, вызванная тепловым пробоем экситонов в кремнии [25, 26]; наблюдался значительный рост интенсивности экситонной люминесценции, сопровождающийся уменьшением свечения экситон-примесных комплексов [27]. Исследование специфики разогрева носителей микро* волновым полем в арсениде галлия привело к обнаружению формирования пространственно неоднородных структур в электронной системе полупроводника (Глава 5).

Пороговый характер, существование гистерезиса и явление критического замедления, наблюдавшиеся при исследовании динамики теплового пробоя и процесса возникновения пространственных структур, позволяют рассматривать эти явления как неравновесные фазовые переходы I рода.

Основные результаты

1. Обнаружено и детально изучено новое физическое явление - генерация электрического тока, вызванная процессом спиновой релаксации (спин-гальванический эффект).

2. Показано, что внутризонное поглощение циркулярно поляризованного излучения приводит к созданию неравновесного спина в полупроводниковых гетероструктурах.

3. В двумерных полупроводниковых структурах обнаружен и исследован циркулярный фотогальванический эффект при резонансном межподзонном поглощении излучения. Наблюдалась спектральная инверсия эффекта.

4. В ваАя/АЮаАв структурах обнаружено и изучено спин-зависимое просветление и поперечный эффект Ханле. Это позволило определить время спиновой релаксации в условиях монополярной спиновой ориентации.

5. Предложен и реализован экспериментальный метод разделения вкладов слагаемых Рашба и Дрессельхауса в тонкую структуру энергетического спектра.

6. Продемонстрировано, что асимметрия кремний-германиевых наноструктур приводит к снятию спинового вырождения.

7. Показано, что в прямозонных полупроводниках влияние разогрева электронов на экситонную люминесценцию определяется зависимостью сечения связывания в экситоны от электронной температуры.

8. В объемных полупроводниках в условиях разогрева неравновесных носителей заряда в электрическом СВЧ поле наблюдались нелинейные оптические и электрические явления: тепловой пробой экситонов и осцилляции электронной плотности.

9. Выявлена специфика формирования пространственно неоднородных структур в полупроводниках при примесном пробое в электрическом СВЧ поле.

На протяжении всего времени выполнения данной работы я неизменно чувствовал поддержку и внимание своих друзей и коллег. Многое дала мне работа под руководством Б.М. Ашкинадзе и участие в семинарах лаборатории, основанной С.М. Рыбкиным. На протяжении нескольких лет существенно было доброжелательное отношение к моей работе со стороны Ю.В. Жиляева. Последние годы исключительно важным и во всех отношениях приятным является сотрудничество с Сергеем Ганичевым, Е.Л. Ивченко, С.А. Тарасенко, Л.Е. Голубом. Много значит для меня возможность общения с И.Н. Яссие-вич. Немаловажную роль играет обсуждение широкого круга вопросов с Д.И. Ковалевым и В.П. Евтихиевым. Чрезвычайно признателен Е.В. Берегулину за его многолетнее внимание и поддержку.

Всех своих коллег - а среди них есть и представители старшего поколения и ровесники, и теперь уже и те, кто заметно младше - я считаю своими учителями. Возможно, необходимость творческого общения с представителями трех поколений и имел ввиду известный политический деятель прошлого века, когда призывал "Учиться, учиться и учиться".

1. Оптическая ориентация, под ред. Б.П. Захарчени и Ф. Майера, Наука, J1., 1989.

2. Е. Schöll, Nonequilibrium Phase Transitions in Semiconductors, Springer, Berlin, 1987.

3. Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, eds. D.D. Awschalom, D. Loss, and N. Samarth, in the series Nanoscience and Technology, eds. K. von Klitzing, H. Sakaki, and R. Wiesendanger, Springer, Berlin, 2002.

4. Ю.А. Бычков, Е.И. Рашба, Свойства двумерного электронного газа со снятым вырождением // Письма ЖЭТФ 39, 66 (1984).

5. D. Hagele, М. Oestreich, W.W. Rühle, N. Nestle, К. Eberl, Spin transport in GaAs // Appl. Phys. Lett. 73, 1580 (1998).

6. J.M. Kikkawa, D.D. Awschalom, Lateral drag of spin coherence in gallium arsenide // Nature 397, 139 (1999).

7. A. Hirohata, Y.B. Xu, C.M. Guertler, A.C. Bland, Spin-dependent electron transport at the ferromagnet/semiconductor interface // J. Appl. Phys. 85, 5804 (1999).

8. S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, S.N. Danilov, J. Eroms, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Conversion of spin intodirect electric current in quantum wells // Phys. Rev! Lett. 86, 4358 (2001).

9. S.D. Ganichev, U. Rossler, W. Prettl, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, R. Neumann, K. Brunner, G. Abstreiter, Removal of spin degeneracy in p-SiGe quantum wells demonstrated by spin photocurrents // Phys. Rev. В 66, 075328 (2002).

10. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, Petra Schneider, E.L. Ivchenko, S.A. Tarasenko, D. Schuh, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Resonant inversion of the circular photogalvanic effect in n-doped quantum wells // Phys. Rev. В 68, 0353 (2003).

11. L.E. Golub, Spin splitting induced circular photocurrent in quantum wells // Physica E 17, 342 (2003).

12. L.E. Golub, Spin splitting induced photogalvanic effect in quantum wells // Phys. Rev. В 67, 235320 (2003).

13. E.JI. Ивченко, Ю.Б. Лянда-Геллер, Г.Е. Пикус, Фототок в структурах с квантовыми ямами при оптической ориентации свободных носителей // Письма в ЖЭТФ 50, 156 (1989).

14. E.J1. Ивченко, Ю.Б. Лянда-Геллер, Г.Е. Пикус, Ток термализо-ванных носителей, ориентированных по спину // ЖЭТФ 98, 989 (1990).

15. S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, D. Weiss, W. Wegscheider, W. Prettl, Spin-galvanic effect // Nature 417, 153 (2002).

16. S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, D. Schowalter, D. Weiss, W. Wegscheider, W. Prettl,

17. Spin-galvanic effect in quantum wells //J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 16, 369 (2003).

18. S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, S.N. Danilov, E.L. Ivchenko, H. Ketterl, L.E. Vorobjev, M. Bichler, W. Wegscheider, W. Prettl, Nonlinear photogalvanic effect induced by monopolar spin orientation of holes in QWs // Physica E 10, 52 (2001).

19. S.D. Ganichev, S.N. Danilov, V.V. Bel'kov, E.L. Ivchenko, M. Bichler, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, Spin-sensitive bleaching and momopolar spin orientation in quantum wells // Phys. Rev. Lett. 88, 057401 (2002).

20. D. Schowalter, Petra Schneider, M. Sollinger, W. Prettl, V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, L.E. Vorobjev, Optical spin orientation under inter-and intra-subband transitions in QWs //J. Supercond.: Incorp. Novel Magn. 16, 419 (2003).

21. R. Fiederling M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag, L.W. Molenkamp, Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode // Nature 402, 787 (1999).

22. Э. Конуэлл, Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях, Мир, М., 1970.

23. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, A.B. Субашиев, Тепловой пробой % экситонов // ФТТ 29, 1193 (1987).

24. В.М. Ashkinadze, V.V. Bel'kov, A.V. Subashiev, Optical and electrical bistabilities induced by exciton ionization process // Phys. Stat. Sol. (b) 150, 533 (1988).

25. Б.М. Ашкинадзе, B.B. Бельков, Взаимодействие горячих электронов с экситонами в кремнии // ФТТ 30, 1084 (1988).

26. V.V. Bel'kov, J. Hirschinger, F,-J. Niedernostheide, S.D. Ganichev, W. Prettl, V. Noväk, Pattern formation in semiconductors // Nature 397, 398 (1999).

27. V.V. Bel'kov, J. Hirschinger, D. Schowalter, F.-J. Niedernostheide, S.D. Ganichev, W. Prettl, D. Mac Mathuna, V. Noväk, Microwave induced patterns in n-GaAs // Phys. Rev. В 61, 13698 (2000).

28. M.И. Дьяконов, В.И. Перель, О возможности оптической ориентации равновесных электронов в полупроводнике // Письма в ЖЭТФ 13, 206 (1971).

29. Н.С. Аверкиев, М.И. Дьяконов, Ток, обусловленный неоднородностью спиновой ориентации электронов в полупроводнике // ФТП 17, 629 (1983).

30. J.E. Hirsch, Spin Hall effect // Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999).

31. A.A. Бакун, Б.П. Захарченя, А.А. Рогачев, М.Н. Ткачук, В.Г. Флейшер, Обнаружение поверхностного фототока, обусловленного оптической ориентацией электронов в полупроводнике // Письма в ЖЭТФ 40, 464 (1984).

32. J. Kessler, Polarized electrons, Springer, Berlin, 1976.

33. J.N. Chazalviel, I. Solomon, Experimental evidence of the anomalous Hall effect in a nonmagnetic semiconductor // Phys. Rev. Lett. 29, 1676 (1972).

34. I. Zutic, J. Fabian, S. Das Sarma, Proposal for a spin-polarized solar battery // Appl. Phys. Lett. 79, 1558 (2001).

35. I. Zutié, J. Fabian, S. Das Sarma, Spin-polarized transport in inhomogeneous magnetic semiconductors: theory of magnetic/nonmagnetic p-n junctions // Phys. Rev. Lett. 88, 066603 (2002).

36. B.H. Абакумов, Б.И. Резников, Г.В. Царенков, Циркулярный фотогальванический эффект в варизонном полупроводнике // ФТП 26, 284 (1992).

37. E.JI. Ивченко, Г.Е. Пикус, Фотогальванические эффекты в полупроводниках, в сб. Проблемы современной физики, ред. В.М. Туч-кевич и В.Я. Френкель, Наука, Л., 1980.

38. В.И. Белиничер, Б.И. Стурман, Фотогальванический эффект в средах без центра инверсии // УФН 130, 415 (1980).

39. Б.И. Стурман, В.М. Фридкин, Фотогальванический эффект в средах без центра инверсии и родственные явления, Наука, М., 1992.

40. E.L. Ivchenko, G.E. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures. Symmetry and Optical Phenomena, Springer, Berlin, 1997.

41. Е.Л. Ивченко, Г.Е. Пикус, Новый фотогальванический эффект в гиротропных кристаллах // Письма в ЖЭТФ 27, 640 (1978).

42. V.I. Belinicher, Space-oscillating photocurrent in crystals without symmetry center // Phys. Lett. A 66, 213 (1978).

43. В.М. Аснин, A.A. Бакун, A.M. Данишевский, Е.Л. Ивченко, Г.Е. Пикус, A.A. Рогачев, Обнаружение фотоЭДС, зависящей от знака циркулярной поляризации света // Письма в ЖЭТФ 28, 80 (1978).

44. V.M. Asnin, A.A. Bakun, A.M. Danishevskii, E.L. Ivchenko, G.E. Pikus, A.A. Rogachev, "Circular" photogalvanic effect in optically active crystals // Sol. St. Commun. 30, 565 (1979).

45. H.C. Аверкиев, В.М. Аснин, A.A. Бакун, A.M. Данишевский, Е.Л. Ивченко, Г.Е. Пикус, А.А. Рогачев, Циркулярный фотогальванический эффект в теллуре. // ФТП 18, 639; 648 (1984).

46. D. Stein, К. von Klitzing, G. Weimann, Electron spin resonance on GaAs/AlGaAs heterostructures // Phys. Rev. Lett. 51, 130 (1983).

47. H.L. Stormer, Z. Schlesinger, A. Chang, D.C. Tsui, A.C. Gossard, W. Wiegmann, Energy structure and quantized Hall effect of two-dimensional holes //'Phys. Rev. Lett. 51, 126 (1983).

48. М.И. Дьяконов, В.Ю. Качоровский, Спиновая релаксация двумерных электронов в полупроводниках без центра инверсии // ФТП 20, 178 (1986).

49. N.S. Averkiev, L.E. Golub, М. Willander, Spin relaxation anisotropy in two-dimensional semiconductor systems //J. Phys.: Condens. Matter 14, R271 (2002).

50. A. Voskoboynikov, S.S. Liu, C.P. Lee, Spin-dependent tunneling in double-barrier semiconductor heterostructures // Phys. Rev. В 58, 15397 (1998).

51. E.A. de Andrada e Silva, G.C. La Rocca, Electron-spin polarization by resonant tunneling // Phys. Rev. В 59, R15583 (1999).

52. Т. Koga, J. Nitta, H. Takayanagi, S. Datta, Spin-filter device based on the Rashba effect using a nonmagnetic resonant tunneling diode // Phys. Rev. Lett. 88, 126601 (2002).

53. V.I. Perel', S.A. Tarasenko, I.N. Yassievich, S.D. Ganichev, V.V. Bel'kov, W. Prettl, Spin-dependent tunneling through a symmetric barrier // Phys. Rev. B. 67, 201304 (2003).

54. B.K. Калевич, В.JI. Коренев, Влияние электрического тока на оптическую ориентацию двумерных электронов // Письма в ЖЭТФ 52, 859 (1990).

55. J. Nitta, Т. Akazaki, H. Takayanagi, Gate control of spin-orbit interaction in an inverted InGaAs/InAlAs heterostructure // Phys. Rev. Lett. 78, 1335 (1997).

56. J.P. Lu, J.B. Yau, S.P. Shukla, M. Shayegan, L. Wissinger, U. Rössler, R. Winkler, Tunable spin-splitting and spin-resolved ballistic transport in GaAs/AlGaAs two-dimensional holes // Phys. Rev. Lett. 81, 1282 (1998).

57. J.P. Heida, B.J. van Wees, J.J. Kuipers, T.M. Klapwijk, G. Borghs, Spin-orbit interaction in a two-dimensional electron gas in a InAs/AlSb quantum well with gate-controlled electron density // Phys. Rev. В 57, 11911 (1998).

58. C.-M. Hu, J. Nitta, T. Akazaki, H. Takayanagi, J. Osaka, P. Pfeffer, W. Zawadski, Zero-field spin splitting in an inverted InGaAs/InAlAs heterostructure: band nonparabolicity influence and the subband dependence // Phys. Rev. В 60, 7736 (1999).

59. G. Salis, Y. Kato, K. Ensslin, D.C. Driscoll, A.C. Gossard, D.D. Awschalom, Electrical control of spin coherence in semiconductor nanostructures // Nature 414, 619 (2001).

60. J.H. Smet, R.A. Deutschmann, F. Ertl, W. Wegscheider, G. Abstreiter, K. von Klitzing, Gate-voltage control of spin interactions between electrons and nuclei in a semiconductor // Nature 415, 281 (2002).

61. Ф.Т. Васько, H.A. Прима, Спиновое расщепление в спектре двумерных электронов // ФТТ 21, 1734 (1979).

62. U. Rössler, Nonparabolicity and warping in the conduction band of GaAs // Sol. St. Comm. 49, 943 (1984).

63. M. Cardona, N.E. Christensen, G. Fasol, Relativistic band structure and spin-orbit splitting of zinc-blende-type semiconductors // Phys. Rev. В 38, 1806 (1988).

64. G. Lommer, F. Malcher, U. Rossler, Spin splitting in semiconductor heterostructures // Phys. Rev. Lett. 60, 728 (1988).

65. J. Luo, H. Munekata, F.F. Fang, P.J. Stiles, Observation of the zero-field splitting in GaSb/InAs/GaSb quantum wells // Phys. Rev. В 38, 10142 (1988).

66. В. Das, D.C Miller, S. Datta, R. Reifenberger, W.P. Hong, P.K. Bhattacharya, J. Singh, M. Jaffe, Evidence of spin splitting in InGaAs/InAlAs heterostructures // Phys. Rev. В 39, 1411 (1989).

67. J. Luo, H. Munekata, F.F. Fang, P.J. Stiles, Effect of inversion asymmetry on electron energy band structures in GaSb/InAs/GaSb quantum wells // Phys. Rev. В 41, 7685 (1990).

68. Ю.Л. Иванов, П.С. Копьев, С.Д. Сучалкин, В.М. Устинов, Особенности циклотронного поглощения в квантовых ямах GaSb-InAs-GaSb // Письма в ЖЭТФ 53, 470 (1991).

69. P.D. Dresselhaus, С.М. A. Papavassiliou, R.G. Wheeler, R.N. Sacks, Observation of spin precession in GaAs inversion layers using antilocalization // Phys. Rev. Lett. 68, 106 (1992).

70. E.A. de Andrada e Silva, Conduction-subband anisotropic spin splitting in III-V semiconductor heterojunctions // Phys. Rev. В 46, 1921 (1992).

71. R.V. Santos, M. Cardona, Observation of spin precession in GaAs inversion layers // Phys. Rev. Lett. 72, 432 (1994).

72. E.A. Andrada e Silva, G.C. La Rocca, F. Bassani, Spin-splitting and magneto-oscillations in III-V asymmetric heterostructures // Phys. Rev. B 50, 8523 (1994).

73. B. Jusserand, D. Richards, G. Allan, C. Priester, B. Etienne, Spin orientation at semiconductor interfaces // Phys. Rev. B 51, 4707 (1995).

74. P. Pfeffer, W. Zawadski, Spin splitting of conduction subbands in GaAs/AlGaAs heterostructures // Phys. Rev. B 52, R14332 (1995).

75. E.L. Ivchenko, A.Yu. Kaminski, U. Rössler, Heavy-light hole mixing at zinc-blende (001) interface under normal incidence // Phys. Rev. B 54, 5852 (1996).

76. G. Engels, J. Lange, Th. Schäpers, H. Lüth, Experimental and theoretical approach to spin splitting in modulation-doped InGaAs/InP quantum wells // Phys. Rev. B 55, R1958 (1997).

77. E.A. Andrada e Silva, G.C. La Rocca, F. Bassani, Spin-orbit splitting of electronic state in semiconductor asymmetric quantum wells // Phys. Rev. B 55, 16293 (1997).

78. D. Grundler, Large Rashba splitting in In As quantum wells due to electron wave function penetration into the barrier layers // Phys. Rev. Lett. 84, 6074 (2000).

79. P.R. Hammar, M. Johnson, Potentiometrie measurements of the spin-split subbands in a two-dimensional electron gas // Phys. Rev. B 61, 7207 (2000).

80. J.A. Majewski, P. Vogl, P. Lugli, First principles study of spin-electronics: zero-field spin-splitting in superlattices // Proc. of the25th Int. Conf. of Physics of Semiconductors (ICPS), Eds. N. Miura, T. Ando, Springer Verlag, Berlin, 791 (2001).

81. Z. Wilamowski, W. Jantsch, H. Malissa, U. Rossler, Evidence and evalution of the Bychkov-Rashba effect in SiGe/Si/SiGe quantum wells // Phys. Rev. В 66, 195315 (2002).

82. С.А. Тарасенко, H.C. Аверкиев, Интерференция спиновых расщеплений в магнитоосцилляционных явлениях в двумерных системах // Письма в'ЖЭТФ 75, 669 (2002).

83. О. Krebs, P. Voisin, Giant optical anisotropy of semiconductor heterostructures with no common atom and the quantum-confined Pockels effect // Phys. Rev. Lett. 77, 1829 (1996).

84. О. Krebs, D. Rondi, J.L. Gentner, L. Goldstein, P. Voisin, Inversion asymmetry in heterostructures of zinc-blende semiconductors: interface and external potential versus bulk effects // Phys. Rev. Lett. 80, 5770 (1998).

85. A.A. Toropov, E.L. Ivchenko, O. Krebs, S. Cortez, P. Voisin, J.L. Gentner, Excitonic contributions to the quantum-confined Pockels effect // Phys. Rev. В 63, 035302 (2000).

86. J.T. Olesberg, W.H. Lau, M. Flatte, C.Yu.E. Altunkaya, E.M. Shaw, T.C. Hasenberg, T. Bogges, Interface contributions to spin relaxation in a short-period InAs/GaSb superlattice // Phys. Rev. В 64, 201301 (2001).

87. U. Rossler, J. Kainz, Microscopic interface asymmetry and spinsplitting of electron subbands in semiconductor quantum structures // Sol. St. Commun. 121, 313 (2002).

88. L.E. Golub, E.L. Ivchenko, Spin splitting in symmetrical SiGe quantum wells // Phys. Rev. В 69, 115333 (2004).

89. G. Dresselhaus, Spin-orbit coupling effect in zinc blende structures // Phys. Rev. 100, 580 (1955).

90. Е.И. Рашба, Свойства полупроводников с петлей экстремумов. I. Циклотронный и комбинированный резонанс в магнитном поле, перпендикулярном плоскости петли // ФТТ 2, 1224 (1960).

91. S. Datta, В. Das, Electronic analog of the electro-optic modulator // Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990).

92. R.D.R. Bhat, J.E. Sipe, Optically injected spin currents in semiconductors // Phys. Rev. Lett. 85, 5432 (2000).

93. M.J. Stevens, A.L. Smirl, R.D.R. Bhat, J.E. Sipe, H.M. van Driel, Coherent control of an optically injected ballistic spin-polarized current in bulk GaAs //J. Appl. Phys. 91, 4382 (2002).

94. M.B. Энтин, Теория когерентного фотогальванического эффекта // ФТП 23, 1066 (1989).

95. L.I. Magarill, Photogalvanic effect in asymmetric lateral superlattice // Physica E 9, 652 (2001).

96. A. Haché, Y. Kostoulas, R. Atanasov, J.L.P Hudges, J.E. Sipe, H.M. van Driel, Observation of coherently controlled photocurrent in unbiased, bulk GaAs // Phys. Rev. Lett. 78, 306 (1997).

97. И.Д. Ярошецкий, С.М. Рыбкин, Увлечение электронов фотонами в полупроводниках, в сб. Проблемы современной физики, ред. В.М. Тучкевич и В.Я. Френкель, Наука, Д., 1980, с.173.

98. A.F. Gibson, M.F. Kimmitt, Photon Drag Detection in: Infrared and Millimeter Waves, ed. by K.J. Button, Academic Press, N.Y., 3, 182 (1980).

99. A.M. Glass, D. von der Linde, T.J. Negran, High-voltage bulk photovoltaic effect and the photorefractive process in LiNb03 // Appl. Phys. Lett. 25, 233 (1974).

100. В.И. Белиничер, B.K. Малиновский, Б.И. Стурман, Фотогальванический эффект в. кристаллах с полярной осью // ЖЭТФ 73, 692 (1977).

101. Л.И. Магарилл, М.В. Энтин, Фотогальванический эффект в размерно-квантованной системе // Поверхность 1, 74 (1982).

102. Г.М. Гусев, З.Д. Квон, Л.И. Магарилл, A.M. Палкин, В.И. Сози-нов, O.A. Шегай, М.В. Энтин, Резонансный фотогальванический эффект в инверсионном слое на поверхности полупроводника // Письма в ЖЭТФ 46, 28 (1987).

103. Н. Schneider, S. Ehret, С. Schönbein, К. Schwarz, G. Bihlmann, J. Fleissner, G. Tränkle, G. Böhm, Photogalvanic effect in asymmetric quantum wells and superlattices // Superlatt. Microstruct. 23, 1289 (1998).

104. R. von Baltz, W. Kraut, Bulk photovoltaic effect in pure pyro- and piezoelectrics // Phys. Lett. A 79, 364 (1980).

105. В.И. Белиничер, E.JI. Ивченко, Б.И. Стурман, Кинетическая теория сдвигового фотОгальванического эффекта в пьезоэлектриках // ЖЭТФ 83, 649 (1982).V

106. E.J1. Ивченко, Ю.Б. Лянда-Геллер, Г.Е. Пикус, Магнитоинду-цированный фотогальванический эффект в полупроводниках // ФТП 18, 93 (1984).

107. С. Schonbein, Н. Schneider, G. Bihlmann, К. Schwarz, P. Koidl, A 10 fim GaAs/AlGaAs intersubband photodetector operating at zero bias voltage // Appl. Phys. Lett. 68, 973 (1995).

108. A.M. Данишевский, A.A. Кастальский, C.M. Рывкин, И.Д. Яро-шецкий, Увлечение свободных носителей фотонами при прямых межзонных переходах в полупроводниках // ЖЭТФ 58, 544 (1970).

109. A.F. Gibson, M.F. Kimmitt, А.С. Walker, Photon drag in germanium // Appl. Phys. Lett. 17, 75 (1970).

110. S. Luryi, Photon-drag effect in intersubband absorption by a two-dimensional electron gas // Phys. Rev. Lett. 58, 2263 (1987).

111. A.D. Wieck, H. Sigg, K. Ploog, Observation of resonant photon drag in a two-dimensional electron gas // Phys. Rev. Lett. 64, 463 (1990).

112. A.A. Grinberg, S. Luryi, Theory of the photon-drag effect in a two-dimensional electron gas // Phys. Rev. В 38, 87 (1988).

113. А.П. Дмитриев, C.A. Емельянов, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Я.В. Терентьев, И.Д. Ярошецкий, Фототок увлечения в двумерном электронном газе в области циклотронного резонанса и его первой субгармоники // Письма в ЖЭТФ 54, 460 (1991).

114. О. Keller, Photon drag in a single-level metallic quantum well // Phys. Rev. В 48, 4786 (1993).

115. E.B. Берегулин, П.М. Воронов, C.B. Иванов, П.С. Копьев, И.Д. Ярошецкий, Экспериментальное обнаружение увлечения двумерных электронов дальним ИК излучением // Письма в ЖЭТФ 59, 83 (1994).

116. F.T. Vasko, Photon drag effect in tunnel-coupled quantum wells // Phys. Rev. В 53, 9576 (1996).

117. F.T. Vasko, 0. Keller, Photon drag current due to spin-flip transitions of electrons in nonsymmetric quantum wells // Phys. Rev. p. 58, 15666 (1998).

118. H. Slgg, M.H. Kwakermaak, B. Margotte, D. Erni, P. van Son, K. Köhler, Ultrafast far-infrared GaAs/AlGaAs photon drag detector in microwave transmission line topology // Appl. Phys. Lett. 67, 2827 (1995).

119. M. Behet, S. Nemeth, J. De Boeck, G. Borghs, J. Tümmler, J. Woitok, J. Geurts, MBE and characterization of InAs/AlGaSb heterostructures for magnetic sensing applications // Semicond. Sei. Techn. 13, 428 (1998).

120. G.M.H. Knippels, X. Yan, A.M. MacLeod, W.A. Gillespie, M. Yasumoto, D. Oepts, A.F.G. van der Meer, Generation and complete electric-field characterization of intense ultrashort tunable far-infrared laser pulses // Phys. Rev. Lett. 83, 1578 (1999).

121. V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, Petra Schneider, C. Back, M. Oestereich, J. Rudolph, D. Haegele, L.E. Golub, W. Wegscheider

122. W. Prettl, Circular photogalvanic effect at inter-band excitation in semiconductor quantum wells // Solid State Commun. 128, 283 (2003).

123. R.J. Warburton, C. Gauer, A. Wixforth, J.P. Kotthaus, B. Brar, H. Kroemer, Intersubband resonanse in InAs/AlSb quantum wells: selection rules, matrix elements and the depolarization field // Phys. Rev. В 53, 7903 (1996).

124. E.JI. Ивченко, C.A. Тарасенко, Монополярная оптическая ориентация электронных спинов в объемных полупроводниках и гете-роструктурах // ЖЭТФ 99, 376 (2004).

125. R. Ferreira, G. Bastard, Spin-flip scattering of holes in semiconductors quantum wells /■/ Phys. Rev. B. 43, 9687 (1991).

126. Jl.E. Воробьев, Д.В. Донецкий, J1.E. Голуб, Поглощение и эмиссия дальнего ИК излучения горячими дырками в GaAs/AlGaAs квантовых слоях // Письма в ЖЭТФ 63, 928 (1996).

127. Petra Schneider, S.D. Ganichev, J. Kainz, U. Rossler, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl, V.V. Bel'kov, L.E. Golub, D. Schuh, Spin-sensitive bleaching and spin relaxation in QW's // phys. stat. sol. (b) 238, 533 (2003).

128. J. Shah, Ultrafast spectroscopy of semiconductor nanostructures, Springer, Berlin, 1999, pp. 243-261.

129. L. Vina, Spin relaxation in low-dimensional systems //J. Phys.: Condens. Matter 11, 5929 (1999).

130. W. Hanle, Uber magnetische Beeinflussung der Polarisation der Resonanzfluoreszenz // Zeitschrift für Physik 30, 93 (1924).

131. A.B. Андрианов, И.Д. Ярошецкий, Магнитоиндуцированный циркулярный фотогальванический эффект в полупроводниках // Письма в ЖЭТФ 40, 131 (1984).

132. E.L. Ivchenko, Yu.B. Lyanda-Geller, G.E. Pikus, Circular magnetophotocurrent and spin splitting of band states in optically-inactive crystals // Sol. St. Commun. 69, 663 (1989).

133. X. Marie, T. Amand, P. Le Jeune, M. Paillard, P. Renucci, L.E. Golub, V.D. Dymnikov, E.L. Ivchenko, Hole spin quantum beats in quantum-well structures // Phys. Rev. В 60, 5811 (1999).

134. А.Г. Аронов, Ю.Б. Лянда-Геллер, Ядерный электронный резонанс и ориентация спинов носителей электрическим полем // Письма в ЖЭТФ 50, 398 (1989).

135. V.M. Edelstein, Spin polarization of conduction electrons induced by electric current in two-dimensional system // Sol. St. Commun. 73, 233 (1990).

136. R.R. Parson, Optical pumping and optical detection of spin-polarized electrons in a conduction band // Can. J. Phys. 49, 1850 (1971).

137. G. Lampel, Nuclear dynamic polarization by optical electronic saturation and optical pumping in semiconductors // Phys. Rev. Lett. 20, 491 (1968).

138. А.И Екимов, В.И. Сафаров, Оптическая ориентация носителей при межзонных переходах в полупроводниках // Письма в ЖЭТФ 12, 293 (1970).

139. Б.П. Захарченя, В.Г. Флейшер, Р.И. Джиоев, Ю.П. Вещунов, И.Б Русанов, Эффект оптической ориентации электронных спинов в кристалле GaAs // Письма в ЖЭТФ 13, 195 (1971).

140. A.M. Данишевский, E.J1. Ивченко, С.Ф. Кочегаров, В.К. Субаши-ев, Оптическая ориентация по спину и выстраивание импульсов дырок в p-InAs // ФТТ 27, 710 (1985).

141. E.JI. Ивченко, Г.Е. Пикус, Оптическая ориентация спинов свободных носителей и фотогальванические эффекты в гиротропных кристаллах // Известия АН СССР (серия физическая) 47, 2369 (1983).

142. Л.И. Магарилл, Фотогальванический эффект в двумерных системах в магнитном поле // ФТТ 32, 3558 (1990).

143. А.А. Горбацевич, В.В. Капаев, Ю.В. Копаев, Асимметричные наноструктуры в магнитном поле.// Письма в ЖЭТФ 57, 565 (1993).

144. O.V. Kibis, Electronic phenomena in chiral carbon nanotubes in the presence of a magnetic field // Physica E 12, 741 (2002).

145. E.L. Ivchenko, В. Spivak, Chirality effects in carbon nanotubes // Phys. Rev. В 66, 155404 (2002).

146. А.П. Дмитриев, С.А. Емельянов, С.В. Иванов, П.С. Копьев, Я.В. Терентьев, И.Д. Ярошецкий, Гигантский фототок в двумерных структурах в магнитном поле параллельном 2Б-слою // Письма в ЖЭТФ 54, 279 (1991).

147. Ю.А. Алешенко, И.Д. Воронова, С.П. Гришечкина, В.В. Капаев, Ю.В. Копаев, И.В. Кучеренко, В.И. Кадушкин, С.И. Фомичев, Индуцированный магнитным полем фотогальванический эффект в асимметричной системе квантовых ям // Письма в ЖЭТФ 58, 377 (1993).

148. И.В. Кучеренко, J1.K. Водопьянов, В.И. Кадушкин, Фотовольта-ический эффект в асимметричных GaAs/AlGaAs наноструктурах под действием лазерного излучения // ФТП 31, 872 (1997).

149. Т. Ando, А.В. Fowler, F. Stern, Electronic properties of two-dimensional systems // Rev. Mod. Phys. 54, 437 (1982).

150. V.V. Bel'kov, S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko et al., Magneto-gyrotropic photogalvanic effects in semiconductor quantum wells // Arxiv: cond-mat/0502191.

151. N.S. Averkiev, L.E. Golub, Giant spin relaxation anisotropy in zinc-blende heterostructures // Phys, Rev. В 60, 15582 (1999).

152. J. Schliemann, J. Carlos Egues, Daniel Loss, Nonballistic spin-field-effect transistor // Phys. Rev. Lett. 90, 146801 (2003).

153. A. Takeuchi, T. Kuroda, S. Muto, O. Wada, Picosend electron-spin relaxation in GaAs/AlGaAs quantum wells and InGaAs/InP quantum wells // Physica B 272, 318 (1999).

154. P. Pfeffer, W. Zawadski, Spin splitting of conduction subbands in III-V heterostructures due to inversion asymmetry // Phys. Rev. B 59, R5312 (1999).

155. J. Miller, D.M. Zumbul, Yu.B. Lyanda-Geller, D. Goldhaber-Gordon, K. Campman, A.C. Gossard, Gate-controlled spin-orbit quantum interference effects in lateral transport // Phys. Rev. Lett. 90, 076807 (2003).

156. A. Lusakowski, J. Wrobel, T. Dietl, Effect of bulk inversion asymmetry on the Datta-Das transistor // Phys. Rev. B 68, 081201 (2003).

157. Y. Ohno, R. Terauchi, T. Adachi, F. Matsukura, H. Ohno, Spin relaxation in GaAs (110) quantum wells // Phys. Rev. Lett. 83, 4196 (1999).

158. O.Z. Karimov, G.H. John, R.T. Harley, W.H. Lau, M.E. Flatte, M. Henini, R. Airey, High temperature gate control of quantum well spin memory // Phys. Rev. Lett. 20, 246601 (2003).

159. С. Weisbuch, Photocarrier thermalization by laser excitation spectroscopy // Sol. St. Electron. 21, 179 (1978).

160. B.J. Skromme, G.E. Stillman, Impact ionization of excitons and shallow donors in InP // Phys. Rev. В 28, 4602 (1983).

161. W. Bludau, E. Wagner, Impact ionization of excitons in GaAs // Phys. Rev. В 13, 5410 (1976).

162. R. Romenstein, C. Weisbuch, Optical detection of cyclotron resonance in semiconductors // Phys. Rev. Lett. 45, 2067 (1980).

163. Б.М. Ашкинадзе, И.М. Фишман, Исследование электронно-дырочных капель в германии в греющем СВЧ поле. Нестационарное зарождение // ЖЭТФ 78, 1793 (1980).

164. JI.B. Келдыш, А.А. Маненков, В.А. Миляев, Г.Н. Михайлова, СВЧ пробой и конденсация эксйтонов в германии // ЖЭТФ 66, 2178 (1974).

165. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, Влияние магнитного поля на люминесценцию эксйтонов и электронно-дырочной жидкости в кристаллах германия // ФТТ 26, 595 (1984).

166. W. Franz, Dielectischer Durschshlag, in Handbuch der Physik, ed. by S. Flugge, 17, Springer Verlag, Berlin, 1956.

167. E.M. Эпштейн, Оптический тепловой пробой полупроводниковой пластины // ЖТФ 48, 1733 (1978).

168. JLJI. Голик, А.В. Григорьянц, М.И. Елинсон, Гистерезис лазерного теплового пробоя в германии // Письма ЖТФ 7, 118 (1981).

169. В.Б. Сандомирский, А.А. Суханов, А.Г. Ждан, Феноменологическая теория концентрационной неустойчивости в полупроводниках // ЖЭТФ 58, 1683 (1970).

170. Н.Н. Розанов, Гистерезисные явления в распределенных оптических системах // ЖЭТФ 80, 96 (1981).

171. N.N. Rozanov, Spatial Hysteresis and Optical Patterns, Springer, Berlin, 2002.

172. T.M. Rice, Electron-hole liquid in semiconductors // Sol. St. Phys. 32, 1 (1977).

173. J. Barrau, M. Heckmann, J. Collet, M. Brousseau, Binding probabiliy of free electrons and free holes into Wannier-Mott exciton in non-polar semiconductors // J. Phys. Chem. Solids 34, 1567 (1973).

174. И.Б. Левинсон, Генерация и детектирование фононов больших энергий, в сб. Физика фононов больших энергий, ред. И.Б. Левин-сон, Мир, М., 1976.

175. Н. Haken, Introduction to Synergetics, Springer, Berlin, 1977.

176. R.B. Hammond, R.N. Silver, Analysis of LO and TO phonon assisted free exciton luminescence in silicon // Sol. St. Commun. 28, 993 (1978).

177. D.L. Smith, T.C. McGill, Temperature dependence of the relative integrated intensities of symmetry-allowed phonon-assisted exciton emission in Si and Ge // Phys. Rev. В 14, 2448 (1976).

178. D.L. Smith, D.S. Pan, T.C. McGill, Impact ionization of excitons in Ge and Si // Phys. Rev. В 12, 4360 (1976).

179. E.H. Bogardus, Н.В. Bebb, Bound-exciton, free-exciton, band-acceptor, donor-acceptor, and Auger recombination in GaAs // Phys. Rev. 176, 993 (1968).

180. M. Yamawaki, C. Hamaguchi, Effect of electric fields on luminescence in GaAs // Phys. St. Sol. (b) 112, 201 (1982).

181. Ю.В. Жиляев, Г.Р. Маркарян, B.B. России, Т.В. Россина, В.В. Травников, Поляритонная люминесценция арсенида галлия // ФТТ 28, 2688 (1986).

182. Н. Weman, Q.X. Zhao, В. Monemar, Impact ionization and electric field quenching of photoluminescence in silicon // Sol. St. Electron. 31, 791 (1988).

183. Б.М. Ашкинадзе, B.B. Бельков, А.Г. Красинская, Воздействие горячих электронов на люминесценцию GaAs // ФТП 24, 883 (1990).

184. Б.М. Ашкинадзе, В.В. Бельков, А.Г. Красинская, Микроволновый циклотронный резонанс в чистом GaAs // ФТП 24, 572 (1990).

185. R. Ulbrich, Energy relaxation of photoexcited hot electrons in GaAs // Phys. Rev. В 8, 5719 (1973).

186. B.H. Абакумов, И.Н. Крещук, И.Н. Яссиевич, Захват носителей на притягивающий центр в сильных электрических полях // ФТП 12, 264 (1978).

187. D.J. Ashen, P.J. Dean, D.T. Hurle, J.B. Mullin, A.M. White, P.D. Greene, The incorporation and characterisation of acceptors in epitaxial GaAs // J. Phys. Chem. Solids 36, 1041 (1975).

188. M. Fukai, Н. Kawamura, К. Sekido, I. Imai, Line-broadering of cyclotron resonance due to lattice and neutral impurity scattering in silicon and germanium //J. Phys. Soc. Jpn. 19, 30 (1964).

189. E. Otsuka, Electron scattering by impurities in semiconductors // Jpn. J. Appl. Phys. Part I 25, 303 (1986).

190. T. Ohyama, H. Kobori, E. Otsuka, Electron scattering in GaAs at quantum limit // Jpn. J. Appl. Phys. Part I 25, 1518 (1986).

191. J.M. Chamberlain, R.A. Stradling, Cyclotron resonance and Hall experiments with high-purity epitaxial GaAs // Sol. St. Commun. 7, 1275 (1969).

192. П.Г. Баранов, Ю.П. Вешунов, P.A. Житников, Н.Г. Романов, Ю.Г. Шретер, Оптическое детектирование микроволнового резонанса в германии по люминесценции ЭДК // Письма в ЖЭТФ 26, 369 (1977).

193. B.C. Cavenett, E.J. Pakulis, Optically detected cyclotron resonance in a GaAs/Gao.67Alo.33As superlattice // Phys. Rev. В 32, 8449 (1985).

194. В.В. Бельков, Ф.Г. Пикус, Спектральная зависимость подвижности фотовозбужденных электронов в GaAs // Письма в ЖЭТФ 54, 458 (1991).

195. Т.О. Poehler, Far-Infrared Cyclotron Resonance in GaAs // Appl. Phys. Lett. 20, 69 (1972).

196. R.G. Mani, J.H. Smet, K. von Klitzing, V. Narayanamurti, W.B. Johnson, V. Umansky, Demonstration of a 1/4-cycle phaseshift in the radiation-induced oscillatory magnetoresistance in GaAs/AlGaAs devices // Phys. Rev. Lett. 92, 146801 (2004).

197. J.S. Blakemore, Semiconducting and other major properties of gallium arsenide //J. Appl. Phys. 53, R123 (1982).

198. В.Г. Голубев, Ю.В. Жиляев, В.И. Иванов-Омский, Г.Р. Марка-рян, А.В. Осутин, В.Е. Челноков, Фотоэлектрическая лазерная магнитная спектроскопия мелких доноров в чистом GaAs // ФТП 21, 1771 (1987).

199. W. Bludau, Е. Wagner, H.J. Quisser, Optical determination of carrier mobility in GaAs // Sol. St. Commun. 18, 861 (1976).

200. P.T. Landsberg, A. Pimpale, Recombination-induced non-equilibrium phase transitions in semiconductors // J. Phys. С 9, 1243 (1976).

201. К.M. Mayer, R. Gross, J. Parisi, J. Peinke, R.P. Huebener, Spatially resolved observation of current filament dynamics in semiconductors // Sol. St. Commun. 63, 55 (1987).

202. W. Eberle, J. Hirschinger, U. Margull, W. Prettl, V. Novâk, H. Kostial, Visualization of current filaments in n-GaAs by photoluminescence quenching // Appl. Phys. Lett. 68, 3329 (1996).

203. M. Kozhevnikov, B.M. Ashkinadze, E. Cohen, Arza Ron, Self-oscillations at photoinduced impurity breakdown in GaAs // Phys. Rev. B. 52, 4855 (1995).

204. F. Karel, J. Oswald, J. Pastrnak, O. Petricek, Impurity breakdown and electric-field-dependent luminescence in MBE and VPE GaAs layers // Semicond. Sci. Technol. 7, 203 (1992).f

205. К. Aoki, Т. Kobayashi, К. Yamamoto, Chaotic motions in the electrical avalanche breakdown caused by weak photoexcitation in n-GaAs // J. Phys. Soc. Jpn. 51, 2373 (1982).

206. B.S. Kerner, V.V. Osipov, Autosolitons, Kluwer, Dordrecht, 1994.

207. П.Л. Капица, О природе шаровой молнии // ДАН 101, 245 (1955).

208. И.Б. Левинсон, Эффект убегания горячих электронов в n-InSb // ФТТ 7, 1362 (1965).