Введение к работе
Актуальность темы исследований
Поиск новых принципов для разработки источников когерентного излучения в диапазоне частот 1-ИО ТТц вызывает большой интерес уже довольно долгое время. Это обусловлено несколькими причинами. В терагер-цовом диапазоне сосредоточены наблюдаемые частоты вращательных переходов органических сред и молекул газов, фононные спектры в твердых телах, переходы между состояниями локализованных примесей в полупроводниках. Большое значение имеет взаимодействие терагерцового излучения и живой материи. В сверхпроводниках (ВТСП) энергия связи куперов-ских пар также соответствует ТГц диапазону.
Исторически разработка источников терагерцового диапазона ведется по нескольким направлениям. В первую следует отметить лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) [1] с рекордными для этого диапазона мощностями и возможностью непрерывной перестройки в широком интервале, что делает их эффективным инструментом для научно-исследовательских целей. Недостатком ЛСЭ является громоздкость и стационарность. Другим широко используемым источником терагерцового излучения является лампа обратной волны (ЛОВ), для которых получены частоты до 3 ТГц при мощности порядка 1 мВт [2]. Однако применение принципов ЛОВ в коротковолновой области вызывает затруднение из-за проблем миниатюризации замедляющих систем и уменьшения поперечных размеров пучка.
Большой набор линий излучения получен на газовых лазерах при оптическом возбуждении (как правило, излучением С02 лазера) вращательно-колебательных переходов молекулярных сред (Н20, D20, СН3ОН и др.) [3]. Они получили широкое распространение в качестве гетеродинов в гетеродинных приемниках. Однако ограниченный выбор линий и сложность в перестройке частот ограничивают сферу их применений.
Стремление получить компактный, и перестраиваемый источник когерентного излучения терагерцового диапазона с хорошей эффективностью ставит задачи поиска полупроводниковых активных сред. В первую очередь речь идет о преобразовании излучения ближнего ИК диапазона с использованием различных физических принципов. Первые попытки были сделаны с использованием эффектов смешения. Разработаны источники излучения терагерцового диапазона, позволяющие производить плавную перестройку в ТГц диапазоне путем изменения условий синхронизма при смешении частот ближнего ИК [4]. Другим, характерным для терагерцового диапазона, стало появление так называемых Auston switchs (излучателей Остона), в которых полупроводник (как правило, это GaAs) возбуждаются на межзонных переходах фемтосекундным источником издучения и, благо-
ЯОС НАЦИОНАЛЬН , -.
БИБЛИОТЕКА ]
даря протеканию импульсного тока, являются источниками в ТГц диапазоне [5]. Из классических электронных осцилляторов, эффективных в миллиметровом диапазоне отметим резонансно-туннельный диод, который позволяет достичь частоты 0,7 ТГц [6], однако дальнейшее увеличение частоты сдерживается по техническим и физическим причинам. Применение тройных соединений типа PbSnSe [7] позволило создать первые инжекционные полупроводниковые лазеры с длиной волны до 40 мкм, однако уменьшение ширины щели приводит к высокой вероятности Оже-процессов, что ограничивает применение подобных устройств криогенными температурами.
Первыми полупроводниковыми лазерами в диапазоне 50-200 мкм стали p-Ge лазеры, работающие с использованием различных излучательных переходов горячих дырок. После публикации предложения [8] появились несколько источников когерентного излучения, такие как НЕМАГ (700+2000 мкм) [9], лазер на циклотронном резонансе горячих дырок в скрещенных полях (100+400 мкм) [10, 11] и лазер на межподзонных переходах горячих дырок германия [12, 13]. В частности, лазер на l-h переходах в скрещенных электрическом и магнитном полях имеет достаточно широкий спектр выходного излучения (70+200 мкм) с возможностью одномодо-вой генерации во всем диапазоне [14]. Характерным общим недостатком р-Ge лазеров, ограничивающих их применение следует считать малую эффективность, что в результате приводит к низким рабочим температурам и импульсному режиму работы. Немного позднее появились работы [15] с сообщением о стимулированном излучении разогретыми электрическим полем дырками в одноосно деформируемом германии. Авторы полагают, что данный источник может работать в непрерывном режиме с перестройкой длины волны вблизи 100 мкм путем изменения приложенного давления.
Настоящим прорывом можно назвать получение эффекта стимулированного излучения в квантово-каскадных лазерах. Развитие нанотехнологии позволило выращивать требуемые многослойные гетероструктуры из полупроводниковых материалов на основе арсенида галлия с моноатомной точностью [16]. Однако большие величины решеточного поглощения в GaAs [17] делают применение этой технологии для диапазона 6+9 ТГц невозможным.
В кремнии решеточное поглощение мало [17]. По этой причине существует устойчивый интерес к созданию ТГц лазеров на основе кремния или его сплавов.
Первыми попытками в этом направлении были эксперименты по получению инверсии населенности в объемном Si:B в скрещенных электрическом и магнитном полях [18] и получение электролюминесценции из напряженных Si/SiGe гетероструктур [19, 20]. Таким образом, можно сказать, что кремниевые источники находятся в стадии разработки. Перспективным направлением является использование примесных состояний в полупро-
водниках, в частности, донорных центров в кремнии [21, 22]. В качестве основных причин можно назвать большие сечения оптических переходов и относительно большие времена жизни электронных состояний. Первые высказывания по использованию полупроводников, легированных мелкими примесными центрами, в качестве лазерной среды были сделаны в [23]. Впервые сообщение о регистрации спонтанного излучения из кремния, легированного акцепторами при накачке излучением С02 лазера было сделано в работе [24].
Цель работы
Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования возможности формирования инверсии населенности на локализованных состояниях донора фосфора в кремнии и получения стимулированного излучения при их оптическом возбуждении.
Научная новизна
-
Экспериментально показано, что особенности акустической релаксации электронов на внутрицентровых переходах доноров фосфора в кремнии приводят к формированию инвертированных распределений.
-
Получено стимулированное излучение из кремния, легированного фосфором при фотоионизации активных центров; исследованы временные, спектральные характеристики выходного излучения.
-
Получено стимулированное излучение из кремния, легированного фосфором при резонансной накачке локализованных состояний донора, исследованы временные и спектральные характеристики выходного излучения.
-
Показано, что длина волны выходного излучения доноров фосфора зависит от возбуждаемого состояния центра.
Научная и практическая значимость работы
Научная значимость состоит в возможности использования особенностей релаксации электронов по состояниям доноров в кремнии с целью получения инвертированных распределений и усиления излучения в терагерцовом диапазоне частот
Практическая значимость определяется реализацией нового типа полупроводниковых источников стимулированного излучения - кремния, легированного фосфором при оптическом возбуждении. Данный источник может быть использован в качестве гетеродина в радиоастрономии. Результаты работы могут быть использованы при исследовании других примесей в кремнии с целью получения стимулированного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Специфика внутрицентровой релаксации связанных состояний доноров на акустических фононах при низких температурах приводит к инверсии населенности и эффектам усиления в ТГц диапазоне частот.
-
Оптическая накачка кремния, легированного фосфором позволяет получить эффект стимулированного излучения на переходах 2р0 - ls(E) и 2p0-ls(T2).
-
Введение компенсирующей примеси уменьшает концентрацию отрицательно заряженных доноров в условиях фотоионизации активной среды, что приводит к увеличению коэффициента усиления и снижению порога генерации.
-
Непосредственная накачка верхнего рабочего уровня 2р0 приводит к генерации излучения на переходе 2p0-ls(E), в то время как возбуждение других вышележащих состояний, включая состояния зоны проводимости, ведет к генерации излучения на переходе 2p0-ls(T2).
Личный вклад автора в получение результатов
Определяющий вклад в проведение экспериментальных исследований по получению спонтанного и стимулированного излучения доноров фосфора при их фотоионизации излучением [А1-А9].
Равнозначный вклад в получение спектральных и температурных зависимостей стимулированного излучения доноров фосфора при их фото-ионизации и анализ результатов измерений [А10-А13] (совместно с С.Г.Павловым).
Определяющий вклад в подготовку проведение и интерпретацию измерений по выяснению влияния компенсации на усиление доноров фосфора в кремнии [А17, А20, А21] (при участии К.А.Ковалевского и С.Г. Павлова).
Основной вклад в подготовку эксперимента по внутрицентровому возбуждению доноров излучением лазера на свободных электронах [А 16-А32] и равнозначный с С.Г.Павловым, М.Рюммели и Я.Н.Ховениром вклад при его проведении.
Определяющий вклад в проведение измерений коэффициента усиления и интерпретацию данных [АЗЗ-А35] (совместно с С.Г.Павловым, А.В.Муравьевым и Я.Н.Ховениром).
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах ИФМ РАН, Нижегородского университета, Университета Брауншвейга, Технического Университета Дельфта, Института исследования планет (Берлин). Основные результаты диссертации представлялись на 5, 6
и 7 Российских конференциях по физике полупроводников, Нижний Новгород 2001, Санкт-Петербург 2003 и Звенигород 2005, 8, 9 и 10 Международных конференциях по мелким примесным центрам в полупроводниках (Shallow Level Centers in Semiconductors SLCS-8, SLCS-9, SLCS-10), Мон-пелье, Франция, 1998, Хиого, Япония, 2000, Варшава, Польша, 2002; Международной конференции по терагерцовой спектроскопии и ее применениям (Terahertz Spectroscopy and Applications (EUROOPTO-99)), Мюнхен, Германия 1999; Международном совещании по терагерцам (International Terahertz Workshop), Сандберг, Дания, 2000; Встрече по оптоэлектронике на основе кремния (One day meeting on Si-based optoelectronics), Лидс, Великобритания, 2000; Голландском совещании по физике твердого тела, Вельдховен, Нидерланды, 2001; 6 и 7 Симпозиуме IEEE/LEOS (Benelux Chapter), 2001, Брюссель, Бельгия, 2002, Амстердам, Голландия; Международной конференции по физике полупроводников (International Conference on Physics of Semiconductors) Эдинбург, Великобритания, 2002; 10 и И Международной конференции по терагерцовой электронике (IEEE International conference on Terahertz Electronics) Кембридж, Великобритания, 2002 и Япония, 2003; 27, 28 и 29 Международной конференции по инфракрасному и миллиметровому излучению (International Conference on Infrared and Millimeter Waves), Сан-Диего, США, 2002, Япония, 2003, Карлсруэ, Германия, 2004; 21 Международной конференции по дефектам в полупроводниках (International Conference on Defects in Semiconductors), Гиссен, Германия, 2001; Рабочем Совещании при поддержке НАТО «Навстречу первому кремниевому лазеру» (NATO Advanced Research Workshop "Towards the first silicon laser"), Тренто, Италия, 2002.
Публикации
