Введение к работе
Актуальность темы. Волновые явления в плазме твердого тела стали активно исследоваться с начала 60-х годоз. Первоначально предметом исследований были в основном плазменные волны (плазмоны) в объеме металлов я полупроводников. В последующие годы получили развитие исследования колебаний и волн в ограниченной и низкоразмерной (в том числе неоднородной) полупроводниковой плазме. Отличительной особенностью плазменных '"олебаний и-.золн в ограниченных и низкоразмерных системах является их связь с поперечными электромагнитными полями з окружающих средах. Поэтому в значительной степени работы по изучению свойств этих колебаний были инициированы задачами спектроскопии поверхности и границ раздела полупроводников с помощью электромагнитных волн. Для поверхностной плазменной волны на границе полупроводника (или металла) был введен специальный термин - "поверхностный плазменный псларитон". В общем смысле под термином "' поляритон" понимается электромагнитная волна, а язан-ная с каким-либо собственным элементарным возбуждением системы.
Как известно, на поверхности полупроводников и в яолупро-воднчковых гетеропереходах могут образовываться электронные слои пространственного заряда. Если толшина слоя сравнима или меньше длины волны электрона, то энергия поперечного движения последнего квантуется, образуя дискретный спектр, в то время как движение электрона в плоское.н слоя.остается свободным. Таким образом, ± еализуптся слей двумерного (2D) -электронного газа. Плазменные волны, существующие в 2D электронных системах, получили название двумерных плазменных волн (21? плазмонов). Двумерные плазменные волны можно, в принцип-, также отнести к классу поверхностных плазменных поляритонов, т.к. в них присутствует поперечная (к направлению распространения волны) компонента электрического (и магнитного) поля. Однако по отношению к 21? плазмонам такой термин практически не употребляется. Это, по всей видимости, связано с тем, что первоначально основное внимание уделялось исследованию сильно замедленных 21? плазмонов, которые в большинстве случаев (но не во всех) с достаточной степенью точности могут быть описаны в электростатическом приближении.
Внешнее магнитное иоле существенно изменяет вид спектров поверхностных и двумерных плазменных волн. Различают три основные взаимные ориентации внешнего магнитного поля Bq. вектора нормали к поверхности плазмы и н двумерного волнового вектора к [кй G) волны. Две взаимно ортогональные ориентации магнитного поля в плоскости поверхности плазмы (Br.n = 0) получили специальные названия геометрии Фарадея (fc||o)' и геометрии Фойгта (/:.11). Третья ррненгацпя соответствует нормальному к плоскости поверхности плазмы направленню магнитного поля. Последняя ориентация магнитного поля используется главным образом в структурах с 2D электронной плазмой.
Как известно, вследствие того, что диэлектрическая проницаемость кристаллической решетки полупроводника ; отличается от единицы, в спектре магнитоплазменных поверхностных полярито-нов, соответствующем геометрии Фойгта. возникает разрыв дисперсионных ветвей в полосе частот распространения объемных волн в полупроводнике. Другой эффект, к которому приводит присутствие внешнего магнитного поля, заключается в появлении новых дисперсионных ветвеіі поверхностных магнитоплазменных полярптонов, связанных с так называемыми виртуальными плазменными возбуждениями; В отличие от реальных (неизлучаюшнх) поверхностных собственных плазменных колебаний виртуальные возбуждения не могут существовать в системе без внешнего воздействия сколь-нибудь продолжительное время из-за их радиационного распада. Однако, связываясь с поперечными электромагнитными полями, виртуальные колебания приводят к возникновению нового типа поверх-. ностпых магнитоплазменных полярптонов.
Несмотря на то, что в области исследования поверхностных и двумерных магнитоплазменных колебаний и волн выполнено большое число работ, некоторые важные проблемы были исследованы неполно. К ним относятся, в частности, исследование дпеенпатииных эффектов при распространении поверхностных магнитоплазменных полярптонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и изучение влияния частотной зависимости динамической диэлектрической проницаемости окружающих сред на спектр дг.умерных плазменных волн.
Для возбуждения енлыюзамедленных плазменных волн в 2D электронных слоях внешними электромагнитными волнами обычно
применяются периодические элементы связи с периодом, определяемым длиной возбуждаемой плазменной волны. В качестве элемента связи используются латеральные (плоскость решетки параллельна плоскости 2D электронной плазмы) металлические решетки или создается стационарное периодическое распределение концентрации электронов в самой 2D системе.
Строго говоря, процесс взаимодействия электромагнитных и
2D плазменных волн на периодическом элементе связи должен рас
сматриваться на основе общего электродинамическо'го подхода. Тем
не менее наиболее распространенной до настоящего времени была
электростатическая постановка задачи о 2D плазменных колеба
ниях в структурах с периодическими решетками. В рамках элек
тростатического приближения удается объяснить многие особенно
сти спектров возбуждения 2D плазмонов при слабой связи элек
тромагнитных и 2D плазменных золн. Однако, если ситуация не
соответствует случаю слабой связи, электростатическая теория ста
новится неприменимой. В частности, с ее помощью не удается объ
яснить экспериментально наблюдаемые ширины линий электродных
плазменного и циклотронного резонансов, і. также адекватно описать
сдвиг плазменного резонанса при изменении структуры элементар
ной ячейки.периодического элемента связи. Это требует разработки
строхэй электродинамической теории взаимодействия электромаг
нитных волн с 2D электронными системами на периодическом эле
менте связи. '
Характерная особенность электронной плазмы в полупроводниках заключается в возможности се перехода в термодинамически неравновесное состояние при практически реализуемых интенсивно-стях внешних воздействий. Одним из наиболее распространенных способов создания неравновесной плазмы в полупроводниках является разогрев электронов в сильном электрически м поле. Электромагнитные явления в плазме горячи" электронов в полупроводниках интенсивно исследовались в последние десятилетия как с точки зрения изучения физических свойств самих горячих электронов, так и с целью разработки новых принципов генерирования и преобразования электромагнитного излучения в интересном с научной и практической точек зрения, но сравнительна мало освоенном до настоящего времени в приборном отношении терагерцевом частотном диапазоне. В то. же время ряд важных вопросой оставались открытыми. Сре-
Ди них - вопросы о влиянии анизотропии динамической поляризации плазмы горячих электронен й сильном переменном электрическом иоле на распространение и нерезопансное преобразование частоты слабой электромагнитной волны и о закономерностях взаимодействия горячих электронов с ансамблем собственных плазменных копебаннй.
Из вышесказанного следует, что исследования электромагнитных волновых явлений в ограниченной, двумерной и неравновесной электронной плазме составляют содержание одного нз перспективных современных направлений развития электродинамики плазмы твердого тела,и поэтому проведение работ б этом направлении представляется актуальны;...
Цель диссертационной работы. Основной делью настоящей работы является развитие теоретических основ физики волновых явлений, обусловленных взаимодействием электромагнитных полей, электронов и плазменных колебаний в ограниченной, двумерной и неравновесной электронной плазме в твердом теле. При этом особое внимание уделяется обоснованию использования исследуемых эффектов для решения задач экспериментального изучения свойств электронной плазмы в полупроводниках и для разработки новых способов генерации н преобразования электромагнитных волн в крайневысокочастотном (КВЧ) и терагердевом диапазонах.
С учетом описанной выше степени разработанности темы в дис
сертации проведены исследования ряда актуальных научных про
блем; решение которых имеет важное значение с фундаментальной
и прикладной точек зрения: . '
е роли диссипатишых эффектов в процессах распространения по-' верхностных магнитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в процессах преобразования поверхностных волн в объемные в плоских, структурах металл-диэлектрик-полупроводник; - -
в влияния частотной зависимости динамической диэлектрической . проницаемости кристаллической подложки на спектр 2D плазменных волн;
в процессов взаимодействия электромагнитных волн с плазменными, магнитоплазменными и циклотронными .колебаниями
электронов в латерально-периодпческпх структурах с 2D электронной плазмой, а том числе процессов генерации электромагнитных волн а таких системах;
о динамическпх волновых эффектов при распространении электромагнитных волн в Периодически нестационарной плазме горячих электронов в полупроводнике;
в эффектоз взалмодейстзия горячих электронов с ансамблем собственных плазменных колебанції в полупроводнике.
Научная цовизез результатов:
-
Обнаружены новые физические эффекты, связанные с влиянием процессов диссипации в полупроводнике на свойства магпито-плазмеї. Jbrx поверхностных поляритонов на границе раздела полупроводник -диэлектрик: эффект резонансного поляритонного поглощения на виртуальных магнитоплазмевных возбуждениях 51 эффект диссипативной невзаимности при преобразованш поверхностных магшгтоплазменных волн в объемные.
-
Предсказано существование нового типа магнитог волн на поверхности полярного кристалла с 2D эл слоем в частотной полосе ''остаточных лучей", где , ческая проницаемость кристалла отрицательна.
-
Развита строгая электродинамическая теория плазмен. нитоплазменных колебаний в лі.терально-периодических мах с 2D злектроттной плазмой, а том числе п системах с риодически неоднородной 2D электронной плазмой-, и зперві установлена существенная роль электромагнитных радиапио ных эффектов з процессах возбуждения и за'ухаппя плазме ных колебаний в таких система:".
-
Предложен новый физический принцип генерации электро-нитных волн в терагерцевом частотном диапазоне, оспованн на дифракционном излучении 2D плазменных волн з струх, ре .с периодической' решеткой в условиях развития абсолюти дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний з системе.
-
Предсказан эффект гигантской динамической электрооптической анизотропии полупроводника, индуцированной разогревом электронов в сильном переменном электрическом поле.
-
Впервые исследованы процессы спонтанной генерации неравновесных плазменных колебаний в газе горячих электронов в полупроводнике и влияние неравновесных плазменных колебаний на транспортные характеристики горячих электронов.
Научная и практическая значимость работы. Научная ценность работы состоит в развитии физических представлений об электромагнитных волновых явлениях в ограниченной, двумерной и неравновесной полупроводниковой электронной плазме, заключающемся в изучении новых физических эффектов и получении новых сведений, способствующих более глубокому физическому пониманию известных явлений.
Практическая значимость работы имеет, по крайней мере, два аспекта. Во-первых, ряд результатов проведенных исследований со- , ставляют теоретические основы экспериментальных методов изучения электронных плазменных систем с помощью электромагнитных волн. Развитая в работе теория взаимодействия электромагнитных н плазменных волн в латерально-периодических структурах с 2D электронной плазмой поззоляет интерпретировать экспериментальные данные спектроскопических исследований 2D электронных систем. Использование эффектов наведенной динамической электрооптической анизотропии и устойчивого преобразования частоты электромагнитной волны в плазме горячих электронов позволяет бесконтактным образом получать информацию о механизмах и характеристиках рассеяния горячих электронов в полупроводшь ках. что важно как для понимания физики процессов рассеяния, так и для обоснованного выбора материалов различных полупроводниковых устройств. Второй аспект практической значимости диссертации состоит в разработке физических основ новых принципов и устройств для генерации и преобразования миллиметровых и суб-миллиліетровьгх электромагнитных волк. К числу' исследованных физических эффектов, имеющих выход в область технических приложений,'-Относятся эффект диссипативной невзаимности при преобразовании поверхностных магнитоплазменных волн в объемные и эффект генерации терагерцевого электромагнитного излучения в
условиях развития абсолютной дрейфовой неустойчивости 2D плазменных колебаний в структуре с периодической решеткой.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Рассеяние электронов в 'полупроводнике существенно влияет па характеристики спектра поверхностных маиштонлазменньгс поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и приводит к новым физическим эффектам, не проявляющимся в.отсутствие электронного рассеяния. Прі. малой диэлектрической проницаемости диэлектрика єі <. / з спектре возникает дополнительный резонанс, связанный с поглощением поверхностного поляритона на виртуальном магнитоплазменном возбуждении. При большой диэлектрической проницаемости j > Єї утечка магшгтоплазменной поверхи* стной волны в объем диэлектрика приводит к эффекту нерезонапсной диссипатпвноп невзаимности распространения электромагнитных волн в структурах металл-диэлектрик-полупроводпик, заключающемуся в уменьшении затухания волны в направлении к TJ (А) х п).
-
На границе полярного кристалла с 2D электронным слоем в присутствии нормального к плоскости границы внешнего магнитного поля могут распространяться поверхностные магнито-плазменные волны с отрицательной дисперсией и с частотами, лежащими в полосе "остаточных лучей", при условии, что значение электронной циклотронной частоты больше, чем частота поперечні їх оптических колебаний кристалла;-
-
Электродинамические эффекты играют существенную роль в процессах возбуждения и затухания плазменных и циклотронных колебаний в латерально-периодичёскпх системах с 2D электронной плазмой. Так, например, радиационное затухание колебаний определяет значительную часть (до одной трети для реальных структур) ширин линий плазменного и циклотронного резонансов и на несколько порядков превосходит значение соответствующей величины, получаемое в рамках теории слабого возмущения однородности системы. Частота, радиационное ушнрение и форма линии плазменного резонанса в общем случае немонотонным образом зависят от геометрических параметров
элементарной ячейки латерально-периодпческой системы и от глубины поверхностной модуляции концентрации электронов в таких системах.
-
В открытой системе со слоем 2D электронной плазмы и латеральной периодической металлической решеткой возможно развитие абсолютной дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний, приводящее к генерации электромагнитного излучения. Пороговое значение дрейфовой скорости электронов, соответствующее началу генерации, определяется по формуле щь ^ ило(0)/2тг, где W2>(0) - частота 2D плазменных колебаний в отсутствие дрейфа электронов, L - период решетки. Для возникновения генерации не требуется введения в систему дополнительных устройств, обеспечивающих обратную связь электромагнитного излучения с плазменными колебаниями.
-
При разогреве электронной плазмы в сильном переменном электрическом поле накачки возникает эффект гигантской динамической анизотропии полупроводника (двулучепреломленпе и линейный дихроизм) пг> отношению к слабой (сигнальной) высокочастотной электромагнитной волне, если расстройка частот сигнальної! волны и накачки становится меньше характерной частоты релаксации энергии электронов в полупроводнике. Величина динамической анизотропии оказывается на несколько порядков больше, чем величина анизотропии, наведенной статическим греющим электрическим полем.
6. Процессы спонтанной генерации плазменных колебаний горячи-
. ми электронами в полупроводниковой плазме могут^приводить к
сильно неравновесному распределению плазменных колебаний в пространстве их волновых векторов. Неравнопесность ансамбля плазменных колебаний существенно изменяет транспортные характеристики электронов в сильных электрических полях.
Личный вклад автора. Постановка всех задач, рассмотренных в диссертации.-и вывод основных теоретических положений принадлежат автору диссертации. Работы по распространению и преобразованию электромагнитных волн в полупроводниковой плазме с горячими электронами были выполнены во многом под влиянием научных идей соавтора этих работ профессора Л.И.Каца. Работы
по исследованию магпптоалазмеипых поверхностных полярптояов бы. ~т выполнены в соавторстве с Р.М.Ревзпным и М.А.Сафоновой. К глубокому сожалению, Л.П.Кац и Р.М.Ревзня безвременно ушли из жизнп. Основные результаты по исследованию взаимодействия электромагнитных п плазменных волп в латерально-перподпческих структурах с 2D электронное плазмой получены совместно с О.Р. Матовым. О.Ф.Мешковым и аспиранткой О.В.Полпщук, работающей под научным руководством автора. Исследования кинетических процессов в связанных электронной и плазменной подсистемах плазмы орячпх электронов в полупроводнике были выполнены совместно с Т.П.Солодкой и аспиранткой Т.Ю.Багаезой.
Азтор глубоко признателен профессору Н.И.Сшшцыну за плодотворные обсуждения многих вопросов настоящей диссертационной работы, а таске сотрудникам лаборатории твердотельной СВЧ электроники Саратовского филиала Института радиотехники и электроники РАН, кафедры вычислительной физики и автоматизации научных исследований и НІШ механики и физики Саратовского гос-универсптета за помощь, критические замечания и ценные а-леты. Особую благодарность автор выражает Л.А.Мироновой за большую помощь з работе с источниками научно-технической информации.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на:
э 2-ом Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмияліше-тровым волнам (Харьков, 1978);
а 9-ой Всесоюзной конференции по электронике.сверхвысоких частот (Киев, 1979);
9 I научно-технической конференции по интегральной электропике СВЧ (Новгород, 1982); .
о Всесоюзной научно-технической конференции "'Проектирование и применение радиоэлектронных устройстз па диэлектрических . волноводах и резонаторах'' (Саратов, 1983);
» II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полуттроводнігкозо-дизлектри-ческимп структурами" (Саратов, 1988):
VII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1989)';
II Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (ISSWAS'89) (Болгария, Варна, 1959);
35-ом Международном научном коллоквиуме (ГДР, Ильменау, 1990);
« III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991);
1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметро
вых и субмиллиметровых радиоволн" (Украина, Харьков, 1991);
» семинаре международной Школы по материалам для электроники: рост, свойства и применения (Италия, Триест, Международный центр теоретической физики, 1991);
Российских конференциях по физике полупроводников: I (Нижний Новгород, 1993); II (Зеленогорск, Ленингр. обл., 1995); III (Москва, 1997);
семинаре международного Института продолженного обучения НАТО "Локализованные электроны и фотоны: Новая физика и применения" (Италия, Сицилия-Эриче, Центр культуры и науки им. Э.Майорана, 1993);
е Международном Харьковском симпозиуме "Физика и техника
миллиметровых и субмнллнметровых волн" (Украина, Харьков,
19Э4); '
семингше международной научно-исследовательской рабочей
группы по физике конденсированного состояния (Италия, Три
ест, Международный центр теоретической физики, 1994);
е ce.viraape международного Института продоласенного ооучения НАТО "Технология, свойства и применения низкоразмерных полупроводников" (Болгария, Созопол, 1994);
о Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика1' (Зеленоград, 1995);
4-oit Международной конференции по электродинамике и оптическим свойствам неоднородных сред (Россия, Москва-С.Петербург, 1996);
V Всероссийской школе-'-еминаре "Волновые явления в неоднородных средах", посвяшенной 70-летию академика Р.В.Хохлова (Крас.новидово, Моск. обл., 1996);
научной конференции "Проблемы фундаментальной физики" (Саратов, 1996);
научной конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997);
в XXVI Международной школе по физике полупроводниковых соединен-^ (JASZOWIEC97) (Польша, Устронь-Язовьец, 1997);
3-ем Международном Харьковском- симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" (Украина, Харьков, 1998);
научных семинарах Саратовского госуниверситета и' Саратовского филиала Института, радиотехники и электроники РАН.
Часть результатов, представленных в диссертации, получена в рамках исследований, проводившихся в 1993-1998 гг. по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 93-02-15480 и 96-02-19211), а также грантам в системе высшего образования России по исследованиям в области фундаментального естествознания (грант 2-оЗ-7-20 ьа 1592-1993 гг.) и в области электроники и радиотехники (грант V-114 на 1994-1995 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 22 работы в российских и зарубежных реферируемых научных изданиях Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей, охватывающих восемь глав, и заключения. Работа включает 228 стр. текста, 86 рисунков и библиографический список цитированных источников из 24о наименований, в то.м числе 42 публикации автора по теме диссертации.
