Введение к работе
з
Актуальность темы. Колебательные возбуждения в твердых телах -фононы- играют важную роль в большинстве физических явлений и свойств таких как тепло- и электропроводность, оптическое поглощение и люминесценция, магнитные свойства, фазовые переходы и многие другие. В общем случае, в физических процессах в твердых телах участвуют фононы всего спектра, включая акустические и оптические колебания от ультразвуковых частот (со~109 Гц) и вплоть до частот, лежащих в терагерцовой области фононного спектра (со-ІО'2-Ю^ Гц). Свойства фононов и их роль в различных физических явлениях исследуются интенсивно в течение последних 40 лет. Особые успехи здесь были достигнуты в экспериментах с неравновесными фононами, в условиях, когда функцию распределения фононов невозможно описать планковской формулой, и, соответственно, невозможно сопоставить состоянию твердого тела определенную температуру, зависящую от координаты и времени. Первые эксперименты с неравновесными фононами' послужили формированию в 70-х годах нового направлення в физике твердого- тела -фононной спектроскопии, где использовались генераторы и детекторы, обладающие частотной селективностью в области Ю^-10'2 Гц.
Тем не менее, к началу 80-х годов в фононной спектроскопии оставалось много открытых вопросов, связанных как со свойствами самих высокочастотных колебательных возбуждений, так и свойствами взаимодействия фононов с другими элементарными возбуждениями в твердых телах. В частности, к таким вопросам относятся отражение терагерцовых фононов от границ раздела; пеклассические режимы распространения фононов; спектр фононов "горячего пятна"- малой области' полупроводника, сильно перегретой по отношению к большей части обьема, находящегося при низкой температуре; фононы в разупорядоченных средах и др. л
Полупроводники и полупроводниковые структуры, из-за их широкого использования па практике, являются одними из наиболее актуальных материалов для исследования неравновесных фононов. Богатая информация, накопленная за последние десятилетия об электронных свойствах полупроводпиков,делает их также модельными объектами для исследования наименее изученных общих свойств фононов Tepaitpuonoro диапазона частот в твердых телах, а также взаимодействия фононов с электронными
возбуждениями. Особый класс объектов представляют полупроводниковые структуры с пониженной размерностью - квантовые ямы, гетеропереходы и др., являющиеся перспективными материалами микро- и оптоэлектроники.
Оптическое возбуждение полупроводника или пропускание тока через полупроводниковую структуру неразрывно связано с рождением в возбужденной области неравновесных фононов. Эти фононы, рождающиеся в результате релаксации электронного возбуждения, могут, в свою очередь, воздействовать на электронную систему полупроводника, что специфически отразится в различных оптических и электрических явлениях. Для понимания этих явлении требуется детальное исследование спектральной, временной и пространственной эволюции неравновесных фононов, которые рождаются в полупроводнике в результате его оптического или электрического возбуждения. Таким исследованиям, прямо связанным с напра&пением фоношюіі спектроскопии, и посвящена настоящая работа.
Целью настоящей работы является поиск и исследование новых
эффектов в оптике полупроводников, гае существенно проявляется роль неравновесных фононов, а также получение принципиально новой информации, как о фундаментальных свойствах самих фононов в полупроводниках, так и их взаимодействии с электронными возбуждениями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
I. В экспериментах, где использовалась методика воздействия
неравновесных фононов на люминесценцию полупроводников, обнаружен
ряд новых эффектов:
1. Эффект увлечения экситонов неравновесными фононами в
кристаллах кремния.
2. Эффекты разогрева электронного и экситонного газов
неравновесными фононами в объемных полупроводниках и
двумерных полупроводниковых структурах.
3. Эффект спонтанного высвобождения неосновных носителей
после действия импульса оптического возбуждения в n-GaAs.
II. Часть полученных результатов относится к свойствам собственно
фононов в полупроводниках, они являются новыми и позволяют ответить
на важные вопросы, стоящие в физике фононов:
1. Отражение высокочастотных фононов от идеальной
поверхности - отсутствие аномалии Капицы.
2. Изотопический характер рассеяния фононов в кристаллах
чистого кремния.
3. Спектральная, временная и пространственная эволюция
фононного горячего пятна.
4. Механизмы неупругого рассеяния и возможность локализации
фоноиов в аморфных полупроводниках.
III. Часть результатов относится к экспериментальному обнаружению
отличительных свойств электрон-фонониого взаимодействия в двумерных
полупроводниковых структурах
- Размерное квантование электронных состояний выключает закон сохранения при электрон-фононном переходе для проекций импульса на ось, перпендикулярную плоскости двумерного электронного (экситониого) газа. Показано, что это существенно расширяет область фононпых акустических частот, участвующих а электрон-фононных переходах, по сравнению с объемными полупроводниками.
IV. Часть результатов относится к собственно электронным свойствам
полупроводников.
-
Обнаружена медленная кинетика основных и неосновных свободных носителей и экситонов в n-GaAs при и;лиевых температурах.
-
Оценена скорость поверхностной рекомбинации экситонов в кремнии.
V. В работе развиты новые экспериментальные методы:
1. Люминесцентное детектирование неравновесных фоноиов в
полупроводниках.
2. Люминесцентный контактный фононнын детектор.
3. Оригинальное измерение электронной температуры по
испусканию далекого инфракрасного света из разогретого
двумерного электронного газа в полупроводниковых структурах с
затвором.
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что полученные результаты важны для понимания электронных и фонониыл процессов, определяющих работу полупроводниковых приборов в микро- и опто-электронных устройствах:
-
Тсплоотвод в разогретых оптически или электрически полупроводниковых структурах.
-
Релаксация и рекомбинация электронных возбуждении в полупроводниках.
3. Использование аморфных полупроводников в солнечных элементах. Основные положения, выносимые на зашиту:
1. В оптически возбужденной области (фононном горячем лятне),
малой по сравнению с находящимся при низкой температуре всем объемом
полупроводника, спектр фононов является неравновесным с дефицитом
фононов в низкочастотной области по отношению к планковскому
распределению.
-
Отражение высокочастотных (10'1-10^2 Гц) акустических фононов от границы раздела кристалл кремния/сверхтекучий гелий зависит от состояния кристаллической поверхности. Свеже-сколотая в жидком гелии поверхность не обладает свойствами аномалии Капицы, что проявляется в практически полном отражении фононов от границы раздела.
-
Терагерцовые фононы в гидрогенизированном аморфном кремнии (a-Si:H) при гелиевых температурах претерпевают сильное неупругое рассеяние, обусловленное присутствием атомов водорода в a-Si:H. С другой стороны, колебания с частотами порядка дебаевских обладают аномально большим (~10~8 с) временем жизни.
4. Свободные экситоиы в кристаллах кремния испытывают
направленное увлечение под действием потока неравновесных
субтерагерцовых фононов.
5. Размерное квантование электронных, возбуждений в двумерных
полупроводниковых структурах приводит к увеличению акустических
фононних частот, участвующих в электрон-фононном взаимодействии, по
сравнению с объемными полупроводниками.
6. Обнаруженная при гелиевых температурах долговременная кинетика
основных и неосновных свободных носителей в эпитакснальных
номинально нелешрованных слоях n-GaAs обусловлена присутствием в
материале глубоких уровней.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на многих отечественных и международных конференциях, симпозиумах, семинарах и школах по физике фононов и физике полупроводников. Приглашенные доклады были представлены на: конференции по люминесценции (Киев, 1У87 г.); Советско-Американском симпозиуме (США, 1989 г.); конференции по физике низких температур (Брайтон, Великобритания 1990 г.); конференции по динамическим процессам в возбужденном состоянии твердых тел (Лейден, Нидерланды, 1991г.);
конференции по рассеянию фононов в твердых телах (Итака, Нью-Йорк, 1992 г.); международной школе по физике фононов (Кудова, Польша, 1993 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 38-и научных статьях, перечень которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и библиографии 147-и наименований. Работа содержит 332 страницы,включая' 101 рисунок и библиографию.
