Введение к работе
'
Актуальность работы: Интерес к спектроскопии полупроводников и полупроводниковых структур в дальнем инфракрасном (ДИК) и субмиллиметровом (СБММ) диапазонах стимулирован в первую очередь тем фактом, что энергии квантов излучения (от 35 мэВ до І маВ) в этом случае соответствуют характеристическим энергиям большого числа элементарных возбуждений в полупроводниках. К этим энергиям относятся: .энергия плазменных колебаний, энергии ионизации типичных мелких доноров и акцепторов,' энергии циклотронного и спинового взаимодействия, характерные энергии размерного квантования электронной подсистемы, энергии оптических фононов и другие. СБММ и ЛИК спектроскопия с применением решеточных монохроматоров, интерферометров Фабри-Перо, Фурьег спектрометров, ламп обратной волны (ЛОВ) и дискретных линий излучения относительно малой интенсивности непрерывных лазеров с электрической и оптической накачкой стала эффективным инструментом в изучении свойств материалов и разнообразных эффектов в различных областях исследований.
Появление мощных импульсных ЛИК и СБММ лазеров (сначала молекулярных с оптической накачкой TEA СО» лазером, а впоследствии, лазеров на свободных электронах и полупроводниковых лазеров на p-Ge, генерирующих наносекундные импульсы большой интенсивности, вплоть до нескольких мегаватт) открыло совершенно новые возможности исследования полупроводников в дальнем инфракрасном диапазоне и привело к появлению метода дальней ин: фракрасной спектроскопии полупроводников при высоком уровне возбуждения, впервые примененному в ФТИ им. А.Ф. Иоффе [1А].
В рассматриваемом частотном диапазоне в результате воздействия излучения высокой интенсивности возникают многочисленные нелинейные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах, такие, как многофотонное поглощение, насыщение поглощения (просветление), нелинейный циклотронный резонанс, световая ударная ионизация, нелинейная фотоакустическая спектроскопия, генерация высоких гармоник, высокочастотный эффект Штарка. Характеристики этих эффектов существенно отличаются от характеристик аналогичных эффектов, наблюдаемых .ак в видимом и инфракрасном диапазонах, так и в диапазоне от СВЧ излучения до пгсто-
4 янных электрических полей. Причина этого в том, что ДИК-СБММ диапазон является областью, в которой происходит переход во взаимодействии электрон- фотонной системы от квантового к классическому пределу, то есть возникает уникальная возможность изучать одно и то же физическое явление ч таких условиях, когда прі. изменении частоты или интенсивности излучения основную оль играют то дискретные свойства света, то его волновые характеристики.
Важным преимуществом субмиллиметровой и дальней инфракрасной спектроскопии высокого уровня возбуждения является также увеличение чувствительности методик благодаря использованию большой интенсивности излучения, которой соответствует большое число квантов. Так как энергия кванта существенно меньше ширины запрещенной зопы и, следовательно, прямая однофотонная генерация свободных носителей отсутствует, на первый план выходят относительно слабые эффекты перераспределения носителей по импульсу и энергии. Высокая интенсивность излучения позволяет детально изучать такие фотоалектричі кие явления,как, например, линейный ч нелинейный разогрев электронного газа, фотоэлектрические явления при осцилляциях Блоха, эффект увлечения электронов фотонами, фотогальванический эффект, фоторезистивные эффекты, возникающие в полупроводниковых структурах при плазменном отражении, многофотонное резонансное туннелирование в структурах с квантовыми ямами, а также использовать их в разработке приемников излучения.
Цель работы: Настоящая работа посвящена новому нелинейному эффекту ионизации глубоких примесных центров ЛИК излуче-к змс энергией квантов в несколько десятков раз меньше энергии связи примеси, обнаруженному в [2А]. Проведения исследований в дал. :ей инфракрасной области при высоких иктеноивностях излучения потребовало построения мощных источников излучения и их адаптации к исследованию полупроводников к полупроводниковых структур, а необходимость регистрации излучения - создания маг лоинерционных приемников с большим динамическим диапазоном. Решение этих задач представляет самостоятельный научный и технический интерес и рассматривается в данной работе отдельно.
Объекты и методы исследования. Глубокие примесные центры существенно влияет па электронные свойства полупроводниковых
материалов и поэтому являются предметом обширного изучения. Именно глубокие центры обычно определяют время жизни неравновесных носителей, действуя как центры безызлучательной рекоь. Jn-нацки и термической ионизации. Одним из традиционных методов исследования глубоких примесей является изучение влияния электрического поля на процессы термической ионизации и захвата носителей. В частности, изучение ионизации и захвата в сильном электрическом поле оказывается фактически единственным методом, позволяющим найти параметры многофононых переходов, определяющих скорость безызлучательной рекомбинации. Одним из наиболее часто используемых методов является емкостная спектроскопия глубоких центров (DLTS). Большинство параметров глубоких центров (энергия ионизации, сечение безызлучательного и излучатель-ного захвата) получены на основе различных модификаций DLTS. Непосредственное приложение сильных статических электрических полей обычно затрудненно возникновением неоднородности поля в образце и часто сопровождается эффектом лавинного пробоя. Использование электрического поля мощных коротких лазерных импульсов далекого инфракрасного излучения с частотами терагерцо-вого диапазона свободно от таких проблем к позволяет однородно и бесконтактно прикладывать большие электрические поля. При этом, несмотря на высокие интенсивности излучения, разогрев электронного газа и. и кристалической решетки отсутствует либо пренебрежимо мал. Это обусловлено чрезвычайно слабым поглощением ДИК излучения ввиду малой концентрации свободных носителей (носители заряда выморожены на примесь), а также использованием коротких наносекундных импульсов излучения, не приводящих к существенному возмущению фононной системы.
Таким образом, наблюдение многофононяой туннельной ионизации, бесконтактное приложение однородных сильных электрических полей и использование коротких импульсов излучения с временами меньше времен жизни неравновесных носителей позволило разработать новый метод исследования глубоких примесных центров в полупроводниках, дающий возможность определять мпогофононные параметры глубоких примесей, структуру их адиабатических потенциалов и кинетику захвата неравновесных госител- 1.
Для изучения процесса ионизации применяется___ традиционный
для оптических исследований метод фотопроводимости, позволяющий регистрировать малейшие ( < 0.01 % ) изменения концентрации носителей, что обеспечивает высокую чувствительность измерений. При отсутствии свободных носителей в полупроводнике ионизация глубоких примесей обусловлена процессами туннелирования под влиянием сильного электрического поля излучение При этом в большинстве случаев ДИК-СБММ излучение действует как сильное постоянное электрическое поле, и вероятность ионизации не зависит от частоты излучения. Увеличение частоты и понижение температуры приводят к появлению частотной зависимости вероятности ионизации, обусловленной переходом к случаю, когда величина энергии кванта излучения играет определяющую роль.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней обнаружен и исследован широкий класс новых неравновесных явлений, обусловленных взаимодействием мощного лазерного излучения дальнего ИК и субмиллиметрового диапазона, развито новое направление -ДИК-СБММ спектроскопия высокого уровия возбуждения, рассмотрены процессы ионизации различного типа глубоких примесей в полупроводниках и определены их параметры, изучены процессы линейного и нелинейного разогрева електронного газа под действием мощного ДИК-СБММ излучения, выполнен ряд теоретических расчетов, разработало три типа быстродействующих фотоприемников мощного ДИК-СБММ излучения.
Научная и практическая ценность работы обуславливается значением твердотельной электроники в современных технологиях. Разработанный метод т-'ннельной ионизации глубоких примесных цензов в электрическом поле субми.члиметрового излучения позволяет определить структуру адиабатических потенциалов глубоких пр&иесей и их многофононные параметры. Исследование широкого класса явлений в полупроводниках и полупроводниковых системах в сочетании с теоретическими исследованиями позволяет оптимальным образом выбрать основные принципы и выработать необходимые рекомендации при разработке твердотельной электроники на основе полупроводниковых материалов, содержащих глубокие примеси. В результате работы создано три типа быстродействующих не^хлаждаемых полупроводниковых фотоприемников ДИК-СБММ излучения. Кроме; прикладного значения исследования, выполнен-
7 ные в диссертации, представляют фундаментальный интерес. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых структур твердотельной электроники, а также при фундаментальных исследованиях в различных организациях Российской Академии "наук (ФТИ им А.Ф. Иоффе,С.-Петербург, ФИАН им. Лебеде-ва,Москва, ИФТТ, Черноголовка, Институте физики микроструктур, Нижний Новгород, ИПП,Новосибирск, Институге общей физики, Москва, ИРЭ, Москва), в ГОИ им. СИ. Вавилова,, Санкт - Петербургском Тегтическом ''университете, Университете г. Харькова и др..
Агшробадия работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях; по физике полупроводников (Баку 1982, Минск 1985, Кишинев 1988, Нижний Новгород 1993, С.-Петербург 1996), по плазме и токовым неустойчивостям в полупроводниках (Вильнюс 1983, 1986), по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом (Ленинград 1981. Паланга 1984, Ленинград 1988), по фотометрии и ее метрологическому обеспечению (Москва 1984, 1988), по оптике лазеров (Ленинград 1982), по когерентной и нелинейной оптике (Москва 1985), по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент 1989), на Всесоюзной школе по взаимодействию электромагнитных волн с веществом (Саратов 1988), на 3-м Советско-западпогерманском семинаре по спектроскопии твердого тела (Ленинград 1989), на 3-м семинаре по электронным процессам в двумерных системах (Новосибирск 1989), на конференции Европейского физического общества (Регенсбург 1993), на Международных конференциях: по физике полупроводников (Варшава 1989, Ванкувер 1994, Берлин 1996), по глубоким примесям в полупроводниках (Сендай 1995, АвеДро 1997), по физике и технологии GaAs и других А3В5 (Татранска Ломница 1988),' по инфракрасным волнам и технике дальнего ИК диапазона (Пекин 1989), по инфракрасным и миллиметровым волнам (Цюрих 1991, Кол-честер 1993, Орландо 1995, Берлин 1996), по миллиметровым волнам и их применению (Сан-Диего 1995) по физическим концепциям материалов современных оптоэлектронных приборов (Аахен 1990, Триест 1993), по горячим носителям в полупроводниках (Оксфорд 1993), на заседаниях Общества по материаловедению США-MRS (Бостон 1994, 1996), европейского Общества по материаловедению-
8 MRS (Страссбург 1995). немецкого научного Общества. (Мюнстер 1991,1997, Регенсбург 1993, 1996, Берлин 1995), на симпозиумах: по физике низкоразмерных структур (Дубна 1995), по исследованию полупроводниковых приборов (Шарлотесвиль 1995) и на других совещаниях и конференциях. Результаты работы докладывались также на семинарах лабораторий и учреждений: ФТИ им Д. Ф. Иоффе, Института Общей Физики РАН, ИРЭ РАН, ФИАН РАН, ГОИ им. Вавилова, Санкт - Петербургского технического университета, Университетов городов Харькова, Регеясбурга, Мюнхена, Брауншвейга, Марбурга, Штутгарта. Института Макса Планка г. Штутгарта, Лаборатории высоких магнитных полей г. Гренобля, Лаборатории РКА (RCA) Цюриха, Лаборатории ІШРС (CNRS) г. Лозанны, Центра лазеров на свободных электронах в г. Санта - Барбара, Корнельского университета, Института Пауля Друде в Берлине и других научных институтов.
Публикация результатов диссертации. Основное содержание дис
сертации отражено в 46 опубликованных рабоїах, перечень которых
приведен в конце автореферата, и в 50 тезисах докладов .предста
вленных на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конфе
ренциях. Материал, не включенный в диссертацию, опубликован в
30 статьях и 23 тезисах докладов. .
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, приложения и списка литературы. Она содержит 240 страниц машинога ного текста, 95 рисунков, 3 таблицы и 148 ссылок на литературные источники.
