Пикосекундная суперлюминесценция и ее влияние на изменение прозрачности GaAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Агеева, Надежда Николаевна

• Агеева, Надежда Николаевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Агеева, Надежда Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

§1. Краткое содержание диссертации

§2. Краткий обзор

§3. Основные положения, выносимые на защиту

ГЛАВА 1 ЛАЗЕРНЫЙ ПИКОСЕКУНДНЫЙ КОМПЛЕКС

§1.1. Структура лазерного комплекса

§1.2. Задающий лазер

§1.3. Система усиления

§1.4. Генерация второй гармоники

§1.5. Генератор пикосекундного светового континуума

§1.6. Параметрические генераторы света бегущей волны

§1.7. Спектрофотометрическая схема

§1.8. Автоматизированная система регистрации и управления.

§1.9. Методика обработки данных и управления экспериментом

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

ГЛАВА 3 ПИКОСЕКУНДНАЯ СУПЕР ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

ГЛАВА 4 НАПРАВЛЕННОСТЬ ПИКОСЕКУНДНОЙ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

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

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

ПУЛЬСА СВЕТА

ГЛАВА 7 ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРОСВЕТЛЕНИЯ

GaAs НА ОБРАТИМОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЗРАЧНОСТИ

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

СЕКУНДНОЙ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В GaAs

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пикосекундная суперлюминесценция и ее влияние на изменение прозрачности GaAs»

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Агеева, Надежда Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим новые физические результаты, полученные в диссертационной работе.

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

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

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

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

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

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

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

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

М^е ~ Ци ~ Eg.

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Агеева, Надежда Николаевна, 2005 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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