Введение к работе
Актуальность. Одним из перспективных направлений физики пол'ліроводникоБ является исследование фотогальванических токов. Речь идёт о фототоках, возникающих в однородных средах при их равномерной засветке. Такие токи могут возникать как за счёт передачи электрону импульса фотона (эффект увлечения электронов фотонами), так и за счёт асимметрии элементарных электронных процессов (фотогальваническйй эффект).
Эффект увлечения электронов фотонами был обнаружен независимо в работах [1,23. Явление наблюдалось в p-Ge при возбуждении светом С02-лазера с модуляцией добротности. Ток увлечения возникал при прямых оптически? переходах между подзонами легких и тяжелых дырок. Теория явления была развита в [33. Несколько позже, в 1972 г., в полупроводниках был обнаружен фотогальванический эффект [43. В последующие годы оба типа фотогальванических токо интенсивно исследовались в различных полупроводниках как экспериментально, так и теоретически. Были установлены условия возникновения и механизмы фотогальванических токов при различных типах оптических переходов (вертикальных внутризонных, непрямых внутризонных, при фотоионизации примесных центров, межзонных, и др.). Достаточно полно была исследована ситуация, когда к полупроводнику прикладывалось неквантущее магнитное поле. В частности, было показано, что мапштоиндуцированный вклад в ток увлечения по сути является холловским током', возникающим при развороте "обычного" тока увлечения внешним магнитным полем. Мапштоиндуцированный вклад в фотогальванический эффект может иметь также и нехолловскую компоненту.
Случай же квантующего магнитного поля исследован относительно мало. В работе [53 была предложена модель возникновения светоиндуцированного дрейфа электронов в полупроводнике при оптических переходах между уровнями Ландау. В этой модели ток увлечения возникает за счёт селективного (по скоростям) возбуждения электронов вследствие эффекта Допплера, и разной их подвижности на соседних уровнях Ландэу . В работе [63 сообщалось об обнаружении знакопеременной фотоэде при оптических переходах между уровнями Ландау в n-InSb, резонансный контур которой отвечает зависимости, предсказанной в 153.
До настоящего времени оставался недостаточно исследованным вопрос об особенностях механигма формирования фотогальванических токов в полупроводниках в условиях спинового резонанса электронов. Не изучены также фотогальванические токи, возникающие в области циклотронного резонанса в двумерном электронном газе, хотя в указанных ситуациях они могут иметь интересные особенности, обусловленные следующими обстоятельствами.
Как было показано в работе [7], в InSb и других кристаллах без центра инверсии типа цинковой обманки оптические переходы с переворотом спина разрешены не только в магнитодипольном, но также частично и в электродипольном приближениях. Магнитодиполыше и электродипольные переходы могут интерферировать, в результате чего вероятность оптических переходов с переворотом сшша зависит от взаимной ориентации векторов магнитного поля, волнового вектора света и кристаллических осей.
Свои специфические особенности имеет магнитное1 квантование в полупроводниковых гетероструктурах с двумерным электронным тазом. Согласно [81, в этой ситуации за счёт сильного взаимодействия электронов с примесями к волновым-функциям каждого уровня Ландау "подмешиваются" волновые функции соседних уровней. Следовательно, для циклотронных переходов возможны различные пути, которые могут интерферировать между собой.
Интерференция оптических переходов в обоих рассмотренных случаях может привести ' к особому механизму формирования резшансных фотогальванических токов. Такой механизм должен иметь весьма универсальный характер, так как аналогичная ситуация может возникать не только в условиях магнитного квантования, но и в ряде других случаев при оптических переходах между двумя энергетическими уровнями электронов. Исходя из этого , можно говорить как о фундаментальной, так и практической значимости обозначенной проблемы. Последнее подразумевает создание основы для нового способа.спектроскопии полупроводников, суть которого заключается в измерении резонансных фототоков.
Цель работы заключается в исследовании механизма формирования тока увлечения электронов фотонами, возникающего в полупроводниках под действием излучения ДИК диапазона в условиях спинового резонанса в объёмном материале, и в условиях циклотронного резонанса - в двумерном электронном газе.
Объекты исследований. Эксперименты в условиях спинового _резонанса электронов ьроводались на чистом антимониде индия n-типа. Этот материал имеет Оольшуя величину . g-фактора , и парамагнитный резонанс в нём хорошо изучен, методом измерения оптического пропускания. Для исследований в условиям циклотрошюго резонанса электронов использовалась полупроводниковая гетероструктура с одиночной квантовой ямой GaSb/InAa/GaSb. Структура такого типа была выбрана, исходя из того, что в ней имеется большое количество локализованных на границах квантовой ямы рассеивающих центров; кроме того, эффективная масса двумерного электрона в ней весьма мала и хорошо измерена.
Метод исследования. Для проведения экспериментов использовалась оригинальная установка- для низкотемпературных фотоэлектрических измерений в магнитном поле. Лэтотоки возбуждались излучением мощного импульсного лазера дальнего ИК диапазона с оптической накачкой TEA СО -лазером.
Научная новизна диссертации. .
-
Исследован продольный ток- увлечения, возникающий в объёмном n-InSb под действием ДИК излучения"в условиях спинового резонанса электронов. Обнаружен новый эффект ішантово-интерференционннй резонансный фототок (КИРФ). Установлены основные закономерности явления. Построена теорія ІШРФ при оптических переходах с переворотом спина между состояниями как свободных, так и связанных электронов в n-lnSb.
-
Исследован ток увлечения электронов фотонами в одиночной квантовой яме СаБЬЯпАэ/СаБЬ в условиях ЦР электронов. Обнаружены резонанси продольного и поперечного фототоков на основной частоте Ц? и на частоте первой субгармоники. Устаїгоалено, что резонанси на основной частоте ЦР связаны с эффектом увлечения, обусловленным световым давлением г,?и сильном резонансном поглощении света, а субгармонические резонанси являются проявлением КПРФ.
-
Теоретически показана возможность возникновения КИРФ в некоторых ситуациях при фотоионизац.іи примесных уровней в полупроводниках, а также возникновения фотодрейфа в газах.
-
Обоснована возможность использования КИРФ для исследования слаборвзрешёкних оптических переходов.
Практическая ценность результатов. Обнаруженный аффект
возникновения КИРФ может Снть использован для определения
параметров магнитооптических резонансов в условиях, когда
резонансный коэффициент поглощения света много меньше фонового.
Соответствующий способ измерения защищен авторским свидетельством
на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 20
Международной конференции по физике полупроводников (Салоники,
Греция,1990 г.), и на 9 Международной конференции по электронным
свойствам двумерных систем (Нара, Япония ,1991 г.)
Публикации. По материалам работы опубликовано 7 научных статей, список которых приведён в конце автореферата.
Основные положения, выносимые на защиту.
1 В n-InSb в условиях спинового резонанса электронов при возбуждении интенсивным лазерным излучением дальнего ИК диапазона, направленным вдоль вектора магнитного почя, возникает сильный резонанс продольного фототока увлечения. Контур резонанса описывается зависимостью 1/Д, где Д - отстройка от резонанса, а его амплитуда превышает фоновый нерезонансный фототок. Эффект возникает только при циклотронно-неактивной поляризации света.
-
Наблюдаемый резонанс обусловлен квантовой интерференцией различных путей оптического перехода электрона и импульсом фотсна.
-
Квантово-интерференцяонннй резонансный фототок возникает при оптических переходах между состояниями как свободных, так и связанных электронов.
-
В квантовой яме GaSb/InAs/GaSb в условиях циклотронного резонанса электронов при возбуждении светом дальнего ИК диапазона возникают резонансы продольного и поперечного токов увлечения на основной частоте и частоте первой субгармоники. Резонанс на основной частоте ЦТ связан с эффектом увлечения, обусловленным световым давлением при сильном резонансном поглощении света, а субгармонический резонанс является проявлением КПРФ. .
-
КИРФ может возникать в различных физических системах, где имеются квазистационарные энергетические состояния электрона (частицы) на фоне сплошного спектра, или энергетические состояния, связанные с ним резонансным взаимодействием. При этом
вмплитуда резонанса может быть сравнима с фоновим нерезонансным фототоком даже в тех случаях, когда соответствугаций оптический 'переход почти запрещен и резонансный коэффициент поглощения много меньше нерезонансного.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 2 приложений и списка цитируемой литературы из 90 названий, Объём диссертации составляет 151 страницу текста, включая 42 страниц рисунков и г - таблицы.