автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Стимулированное излучение донорами V-группы в деформированном кремнии

На пйавах ткописи

Ковалевский Константин Андреевич

СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ДОНОРАМИ У-ГРУППЫ В ДЕФОРМИРОВАННОМ КРЕМНИИ

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

1 2 (.:ДР Ш

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2012

005012531

005012531

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Шастин Валерий Николаевич.

Официальные оппоненты: кандидат физико-математических наук

Митягин Юрий Алексеевич, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

доктор физико-математических наук, профессор Воробьев Леонид Евгеньевич, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Ведущая организация: Физико-технический институт

им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 22 марта 2012 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д. 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (603950, Н. Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан 22 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, л профессор Л

К.П. Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Поиск эффективных источников когерентного излучения в тера-герцовом диапазоне частот 1-10 ТГц (дальнем ИК диапазоне 30-300 мкм) вызывает повышенный интерес уже на протяжении полувека. Это связано с огромным количеством возможных приложений: такие источники могут быть использованы в спектроскопии плазмы, газов и твердых тел, в радиоастрономии, в медицине, системах безопасности, в устройствах для хранения и передачи информации и т.д.

В настоящий момент существуют различные источники терагерцо-вого излучения. К приборам вакуумной СВЧ электроники относятся лазеры на свободных электронах [1], имеющие рекордные мощности для данного диапазона, достигающие величин ~1МВт и возможность перестройки частоты в широком диапазоне, а также лампы обратной волны [2], с длинами волн до 100 мкм и мощностями ~1мВт. Недостатком первых является громоздкость. Вторые ограничены в продвижении в коротковолновую область из-за проблем миниатюризации замедляющих систем и уменьшения поперечных размеров пучка. К другому классу устройств ТГц диапазона можно отнести газовые лазеры, в которых получен большой набор линий генерации при оптическом возбуждении вращательно-колебательных переходов молекул (#20, £>2о, СНъОН и другие) [3]. Тем не менее, ограниченный выбор линий и сложность в перестройке частот ограничивают сферу их применений.

Стремление получить компактный эффективный источник излучения терагерцового диапазона привело к реализации лазерного эффекта в полупроводниках. Первые полупроводниковые лазеры длинноволнового ИК излучения работали на межзонных переходах в узкозонных материалах РЬБпБе [4] и достигли длин волн -40 мкм. Первыми источниками на внутризонных переходах стали лазеры на горячих дырках в германии: лазер на межподзонных переходах (70-200 мкм) [5,6], НЕ-МАГ (700-2000 мкм) [7], лазер на циклотронном резонансе горячих дырок в скрещенных электрическом и магнитном полях (100-400 мкм) [8,9]. Общим недостатком р-йг лазеров, ограничивающих их применение, является малая эффективность, что затрудняет реализацию непрерывного режима генерации. Позднее появились работы, сообщающие о стимулированном излучении разогретыми электрическим полем дырками в одноосно деформированном германии с возможностью ра-

боты источника в непрерывном режиме и перестройкой длины волны вблизи 100 мкм путем изменения приложенного давления [10].

Наибольший резонанс получили успехи в развитии источников стимулированного излучения на переходах между состояниями размерного квантования СаАз/АЮаАх и 1пСаА$1А11пА$ гетероструктурах при вертикальном транспорте электронов [11]. Возможность выращивать требуемые многослойные гетероструктуры с моноатомной точностью [12] позволила смоделировать и реализовать различные лазерные схемы. В результате квантово-каскадным лазерам удалось перекрыть диапазон 3-24 мкм, 67 - 200 мкм и работать при температурах до 186 К. [13,14] Достижения в этом направлении отчасти способствовали спаду интереса ко многим другим идеям создания полупроводниковых источников в этом диапазоне. Тем не менее, квантово-каскадные лазеры имеют ряд недостатков, среди которых отсутствие генерации в диапазоне 30-50 мкм из-за сильного решеточного поглощения [15].

В кремнии решеточное поглощение мало [15], и с учетом развитой технологии, создание ТГц источников на основе кремния представляет устойчивый интерес на протяжении десятков лет. К настоящему времени эффект стимулированного ТГц излучения получен на внутрицентровых переходах оптически возбуждаемых доноров V группы (сурьма, фосфор, мышьяк, висмут) в кремнии [16,17]. Линии генерации лежат в диапазоне 47-59 мкм и связаны с 2р—>15 переходами. Данный источник является первым и пока единственным источником терагерцового диапазона в кремнии. Также можно отметить работы по получению инверсии насе-ленностей в объемном Бг.В в скрещенных электрическом и магнитном полях [18] и получение электролюминесценции из БИБЮе гетерострук-тур [19,20].

Цель работы

Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования влияния одноосной деформации на формирования инверсии населенности между локализованными состояниями доноров V группы {БЬ, Р, Аз, ВГ) в кремнии и характеристики стимулированного излучения при оптическом возбуждении С02 лазером.

Научная новизна

1. Получено стимулированное излучение из кремния, легированного донорами V группы (56, Р, Аз, В1), в условиях одноосного сжатия кристалла вдоль кристаллографического направления [100]; исследованы выходная интенсивность, временные и спектральные характеристики выходного излучения в зависимости от величины деформа-

ции.

2. Экспериментально показано, что изменение состояний доноров в од-ноосно деформированном кремнии может приводить к снижению порога генерации, росту квантовой эффективности, появлению новых частот генерации.

3. Экспериментально показано, что взаимодействие с междолинными фононами /- и £-типа определяет времена жизни примесных состояний 2р0, 2р±, ^(Гг) доноров £6, Ри^в кремнии.

Научная и практическая значимость

Научная значимость состоит в получении новых знаний о физике релаксационных процессов состояний доноров в кремнии при их фотовозбуждении, способных приводить к формированию инверсной заселенности примесных состояний и генерации излучения в диапазоне 4,9-6,3 ТГц в условиях низких температур.

Практическая значимость определяется реализацией кремниевого лазера с малым порогом и новыми частотами генерации. Данный источник может быть использован в качестве гетеродина в радиоастрономии. Результаты работы показывают возможность получения непрерывного режима генерации в деформированном кристалле.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Междолинное рассеяние электронов с излучением акустических ТА-g, ТА-/, Ы-/и оптических Ю-/ ТО/и Ю^ фононов доминирует в процессе релаксации неравновесных состояний доноров V группы (БЬ, Р, Ая, Ш) в кремнии и существенно меняется при одноосной деформации кристалла.

2. Как направление, так и величина одноосной деформации кристалла существенно влияют на населенность рабочих переходов, эффективность, порог генерации и спектральные характеристики стимулированного излучения доноров V группы в кремнии при их оптическом возбуждении.

3. Для каждого из перечисленных доноров существует своя область оптимальной одноосной деформации кристалла, при которой достигается наибольшая эффективность стимулированного излучения при наименьшей пороговой интенсивности накачки. Параметры таких оптимальных деформаций зависят от элемента легирования и связаны с величиной «химического сдвига» основного состояния.

4. Участие междолинных Ы/ и ТО/ фононов в релаксации доноров

мышьяка и висмута приводит к переключению верхних состояний (2р±, 2р0) рабочих переходов и частот стимулированного излучения при одноосной деформации кристалла кремния в направлении [100].

Личный вклад автора в получение результатов

- Определяющий вклад в подготовку и проведение экспериментальных исследований по получению стимулированного излучения из кремния, легированного донорами V-группы, и измерению его выходной интенсивности в условиях одноосного сжатия кристалла и фотоионизации излучением С02 лазера [AI, А2, А5-А13, А15-А20].

- Равнозначный вклад в получение спектральных зависимостей стимулированного излучения доноров V группы при их фотоионизации в условиях одноосного сжатия кристалла (совместно с Р.Х. Жукави-ным и С.Г. Павловым) [AI, А2, А5-А13, А15-А20].

- Равнозначный вклад в обсуждение и интерпретацию всех экспериментов по возбуждению доноров излучением СОг лазера в одноосно деформированном кремнии (совместно с Р.Х. Жукавиным, В.Н. Шас-тиным) [AI, А2, А5-А13, А15-А20], а также вопросов теоретического анализа внутрипримесной релаксации с испусканием междолинных фононов (совместно с В.В. Цыпленковым и В.Н. Шастиным) [A3, A4, А14].

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах ИФМ РАН (Нижний Новгород), Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, Института исследования планет (Берлин). Основные результаты диссертации представлялись на радиофизических конференциях ННГУ им. Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород, 2003, 2004); всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2003); всероссийском семинаре по терагерцовой оптике и спектроскопии в рамках конференции по фундаментальным проблемам оптики (С.Петербург, 2008); X, XII, XV международных симпозиумах по нанофи-зике и наноэлектронике (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2011); 7, 9 и 10 Российских конференциях по физике полупроводников (Звенигород 2005, Новосибирск-Томск, 2009, Нижний Новгород, 2011); 29-ой, 31-ой, 34-ой и 35-ой Международной конференции по инфракрасному, миллиметровому и терагерцовому излучению (Карлсруэ, Германия, 2004, Шанхай, Китай, 2006, Бусан, Корея, 2009, Рим, Италия, 2010); совещании

по нанофотонике (Н.Новгород, 2004); XIX Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (Минск, Беларусь, 2007); 12-ой международной конференции по рассеянию фононов в конденсированных средах (Париж, Франция, 2007); 4-ой международной конференции по современной оптоэлектро-ники и лазерам (Алушта, Украина, 2008); 16-ой международной конференции по динамике электронов в полупроводниках (Монтпелье, Франция, 2009); международной конференции по ТГц и среднему ИК излучению (Турунк-Мармарис, Турция, 2009); II и III симпозиуме по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (Москва, 2010, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в реферируемых научных журналах и изданиях, а также 22 работы в материалах конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Общий Объем диссертации составляет 151 страницу, включая 135 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 78 наименование, список публикаций автора по теме диссертации - 32 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее научная значимость, сформулированы цели и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, а также представлены сведения о структуре и содержании работы.

В первой главе отражены теоретические и экспериментальные предпосылки для создания инверсии населенности в одноосно деформированном кремнии, легированном мелкими донорами при их оптическом возбуждении. Большой набор накопленных данных дает информацию об энергетическом спектре {Рис. 1) и волновых функциях мелких доноров в деформированном кристалле, а также о релаксационных процессах, контролирующих электронные распределения в такой среде. Отражены особенности оптических свойств мелких доноров в одноосно деформированном кристалле кремния.

Вторая глава содержит описание экспериментальной методики для наблюдения стимулированного излучения ТГц диапазона частот из мел-

а)

5Е, мэВ 10 20 30

СО

т

йГ £53

л о Я

О

12 3 4 Р [100], кбар

0,3 0,6 Р [100], кбар

Рис. 1. Рабочие переходы доноров V группы в деформированном кремнии при возбуждении С02 лазером и Т= 4,2 К. а) Бг.Р (1-5 кбар), б) (0-0,7 кбар). Р - деформация сжатия [100], ЬЕ- энергия расщепления зоны проводимости (междолинное расщепление).

10,6 мкм

Жидкий Не

ТТц

ве.ва

А1203

Рис.2. Слева, оптическая схема измерений; справа: характерные размеры

о 15-3

кремниевых образцов 3><5х6 мм, уровень легирования Л^-ЗхЮ " см" , концентрация акцепторов Л^а<1013см" .

ких доноров в монокристаллическом кремнии при одноосном сжатии кристалла и фотовозбуждении С02 лазером (Рис.2). Приведены характеристики исследуемых в эксперименте образцов монокристаллического кремния, легированного мелкими донорами.

Третья глава посвящена исследованию стимулированного эффекта в Бг.БЬ при фотовозбуждении С02 лазером в одноосно деформированном кристалле. Полученная зависимость интенсивности выходного стимулированного излучения от деформации носит немонотонный характер, и при больших накачках имеет максимум вблизи 0,4 кбар. При этом форма импульса стимулированного излучения также зависит от деформации (Рис.3,а). Область генерации определяется взаимодействием рабочих состояний с междолинными ТА-/, ТА^ и ЬА^ фононами и лежит в диапазоне давлений 0<Р<1,5 кбар. Имеют место две линии генерации: 2рои->\5(Т2:Гб) и 1р^\з(Т2.Г1). Первый переход соответствует частоте 171,8 см"1, которая остается постоянной при изменении давления. Энергия второго перехода зависит от величины и направления деформации и соответствует области частот 171,8-173 см"1. Такое поведение определяется спин-орбитальным взаимодействием. При величине сжатия -0,7 кбар порог генерации падает больше чем на два порядка величины до рекордно малых интенсивностей накачки <100 Вт/см2 (Рис.36).

Четвертая глава представляет результаты исследования стимулированного излучения 5г.Р. Помимо стандартных образцов в эксперименте

Время, мкс

Время, не

Рис.Ъ. Зависимость интенсивности стимулированного ТГц излучения из образца Si:Sb от а) времени, б) интенсивности TEA С02 накачки для различных значений деформации сжатия вдоль направления [100]. Т= 4,2 К.

23 2

б) Плотность потока, 10 квант/см с

100

- Деформация сжатия [100],

0,1 1

Накачка, кВт/см"

использовался монокристаллический изотопно-обогащенный 28-й крем-28 28 ний Бг:Р (содержание 5/ в матрице кристалла составляет 99,99495%),

легированный фосфорными центрами. Оба материала имеют схожие экспериментальные данные. Область генерации лежит в диапазоне давлений 0<Р<2,5 кбар и определяется взаимодействием нижнего рабочего состояния \$(В2) с ТА^ фононами (РисА,а). Максимальный сигнал выходного ТГц излучения наблюдается для больших интенсивностей накачки -200 кВт/см2 при давлении ~0,6 кбар. Линия излучения имеет частоту 180,7 см"1, не меняется при деформации кристалла (РисА,б), и соответствует переходу 2ро'—>Ъ(В2) (РисЛ,а). Оптимальное давление, при котором наблюдается минимум порога, близко к 1 кбар. При такой величине сжатия значение порога падает до 200 Вт/см2.

Пятая глава содержит результаты экспериментов по измерению выходной интенсивности и спектральных характеристик в Генерация получена во всем диапазоне исследовавшихся деформаций 0<Р<4,4 кбар. Обнаружен эффект переключения рабочих переходов при деформации —0,3 кбар вдоль [100] (Рис.5,а). Частоте генерации 211,9 см"1 наблюдаемой при /><0,35 кбар соответствует переход 2р±~->\^(В1), а частоте 171,5 см"1 при Р>0,3 кбар - 2ро'—>1$(В2). Переключение рабочих переходов связано с подавлением распада состояний 2р±, 2л в основное состояние 15(^1) по причине выхода из резонанса с междолинным ЬА-/ фононом за счет деформационного смещения энергии основного состояния. Получено также резкое падение пороговой интенсивности накачки до значений

б)

о

а-Г ьо л н о о я

05 К о Ж о н

¿н 160 180 200

Волновое число, см"1

28

Рис А. а) Зависимость интенсивности стимулированного излучения Бг.Р от деформации сжатия вдоль направления [100]:б) спектрограммы БкР для различных деформаций сжатия [100]. Г=4,2 К

Энергия кванта, мэВ 20 22 24

; 2р0->1«(£2) — 2,4 кбар '

: 2р0-+Щ1В2) - 1,3 кбар - 1 .. :

" 2р0->\8(Т2) — 0 кбар

а) Междолинное расщепление, мэВ 0 5 10 15 20

Накачка кВт/см" —®— 180 —®— 9 -0-25 -е- 2

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Деформация сжатия [100], кбар

а) Междолинное расщепление, мэВ б) Плотность потока, 1023 квант/см2с - О 4 8 12 16 20 . 1 10 100

2

Деформация сжатия [100], кбар Накачка, кВт/см"

Рис.5. а) Зависимость частоты стимулированного излучения БгАб от деформации сжатия вдоль [100]. Сплошными линиями показаны теоретические значения энергии переходов; б) интенсивность излучения БгАя от величины С02 накачки. Т= 4,2 К.

250-300 Вт/см2 при давлении ~3 кбар (Рис.5,б). При этом давлении наблюдается и наибольший сигнал выходного стимулированного излучения для всех интенсивностей накачки.

Шестая глава посвящена изучению генерации в одноосно деформированном Показано, что существует две области генерации 0<Р<0,8 кбар и /*>1 кбар (Рис.6,а). Провал в области 0,8-1 кбар связан с взаимодействием состояния 2р± с междолинным 70-/ фононом. При давлении 0,1 кбар обнаружено резкое снижение интенсивности выходного излучения из-за резонанса состояния 2р± с междолинным оптическим ЬО^ фононом. Спектр излучения содержит пять линий, четыре из которых наблюдаются при давлениях Р<1 кбар (Рис.6,5) и связаны с переходами из возбужденных состояний 2р± (Рис. 1,6). При этом наличие спин-орбитального расщепления (0,71 мэВ) уровня \&(Т-]) дает возможность плавной перестройки частоты генерации в диапазоне 205,7 - 211,8 см"1 для группы переходов 2р"—^и(Т2.Г6),и(Т2:Гу") и 2р±'-^1$(Т2:Г11) посредством изменения величины и направления деформации. Другая наблюдаемая частота 191,8 см"1 соответствует линии 2/?±м—>Ь(51:Г7). При давлении Р>2 кбар происходит смена верхнего рабочего состояния, связанная с выходом состояний 2ро и Ъ(А /) из резонанса с междолинным ТО-) фононом. Новая частота генерации 164 см"1 соответствует переходу 2р0"^>\5(Т2:Г6). При деформации ~2 кбар достигается наименьшее значение пороговой интенсивности накачки -3,5 кВт/см2, которое является

а) Междолинное расщепление, мэВ

¿0,8 ЕС

0 0,6

¿5 0,4

<у

1 0,2 V

I 0,0

К

Деформация сжатия [100], кбар

Рис. 6. а) Интенсивность стимулированного излучения 57:5/ от деформации сжатия вдоль [100]. б) Зависимость частоты стимулированного излучения 57:5/ от деформации сжатия вдоль направления [100]. Сплошными линиями показаны теоретические значения энергии переходов. Т= 4,2 К

наибольшим среди исследуемых примесей.

Седьмая глава посвящена сопоставлению характеристик стимулированного излучения различных доноров V группы (БЬ, Р, ВГ) при одноосном сжатии вдоль кристаллографического направления [100]. Наличие разного «химического сдвига» энергии основного состояния определяет особенности внутрицентровой релаксации в каждом доноре. Для примесей БЬ, Р и Ля, имеющих близкие энергии основного состояния, наблюдается следующая закономерность: с ростом «химического сдвига» растет минимальное величина пороговой интенсивности, а также значение оптимальной деформации сжатия. Большая величина химического сдвига в 8гМ сильно меняет картину внутрипримесной релаксации, в том числе и за счет взаимодействия с оптическими фононами; в результате оптимальные параметры висмута выпадают из общей закономерности.

Наблюдаемое в эксперименте падение пороговой интенсивности накачки в 10-100 раз и увеличение лазерной эффективности в одноосно-деформированном кристалле кремния с донорами V группы связано с изменением темпов внутридолинной релаксации, увеличением эффективности накачки верхних рабочих состояний и уменьшением внутренних потерь за счет снижения с ростом деформации концентрации отрицательно заряженных доноров, являющихся активными поглотителями ТГц излучения.

6) Междолинное расщепление, мэВ Т о 2 4 6

гр'^нт^)

гР^Нт2.г6) 2Р^Нв-г7)

0,0 0,2 0,4 0,6 Деформация сжатия [100], кбар

Заключение содержит основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы

1. Экспериментально показано, что одноосная деформация сжатия кристалла кремния вдоль кристаллографического направления [100] существенно влияет на стимулированное излучение оптически возбуждаемых доноров V группы (БЬ, Р, Аб, Ш), увеличивая его эффективность и в 10-100 раз снижая пороговую интенсивность накачки.

2. На основании проведенных оценок и наблюдаемых зависимостей показано, что поглощение на отрицательно заряженных £Г донорах в кремнии приводит к существенным внутренним потерям и значительно уменьшает коэффициент/сечение усиления в ТГц лазерах на донорах V группы в кремнии в условиях их фотовозбуждения.

3. Измерены оптимальные значения величины деформации сжатия вдоль оси [100] кристалла кремния для стимулированного излучения донорами V группы. Установлено, что этот параметр зависит от элемента легирования и определяется величиной «химического сдвига» основного состояния.

4. Полученные зависимости интенсивности ТГц стимулированного излучения различных доноров V группы в кремнии от одноосной деформации кристалла вдоль [100] позволили установить роль междолинных ТА^, 1АТА-/, 1А-/, Ю-/ ТО-/и Ю-§ фононов в релаксации возбужденных состояний этих центров.

5. Экспериментально исследовано влияние одноосной деформации сжатия кристалла на спектр стимулированного излучения доноров V группы в кремнии. Обнаружено, что для доноров мышьяка и висмута сжатие кристалла приводит к переключению верхних рабочих состояний стимулированного излучения с 2р± на 2р0. Эффект связан с влиянием деформации на релаксацию состояний с участием междолинных 1Л-/ ТА-/и ТО-/ фононов.

6. Экспериментально обнаружено, что стимулированное излучение оптически возбуждаемых доноров висмута в [100] деформированном кремнии (2 кбар<Р<3,3 кбар) развивается с частотой 164 см" на переходах между состояниями доноров верхних 4А долин.

Цитируемая литература

[1] Knippels, G.M.H. Generation of frequency-chirped pulses in the far-infrared by means of a sub-picosecond free-electron laser and an external pulse shaper / G.M.H. Knippels, A.F.G. van der Meer, R.F.X.A.M. Mols, P.W. van Amersfoort, R.B. Vrijen, D.J. Maas, L.D. Noordam // Opt. Commun. - 1995. - Vol.118.-P. 546-550.

[2] Kozlov, G.V. Coherent Source for Submillimeter Wave Spectroscopy / Kozlov G.V., Volkov A. A. // Topics in Applied Physics, edited by G. Gruner, published by Springer-Verlag - 1998. - Vol. 74 - P. 51-109.

[3] De Temple, Th. Pulsed Optically Pumped Far Infrared Lasers in Infrared and Millimeter Waves/ Th. de Temple // Edited by K.J. Button. N.Y. -1979.-Vol.1-P. 129.

[4] Мурашов, M.C. О временных задержках генерации излучения в лазерных диодах на основе халькогенидов свинца / М.С. Мурашов,

A.П. Шотов // Квантовая электроника. - 1995. - Т.22. Вып.12. - С 1255.

[5] Андронов, А.А. Стимулированное излучение в длинноволновом Ж диапазоне на горячих дырках Ge в скрещенных электрическом и магнитном полях / Андронов А.А., Зверев И.В., Козлов

B.А., Ноздрин Ю.Н., Павлов С.А., Шастин В.Н. // ЖЭТФ - 1984. - Т.40. Вып.2. - С.69-71.

[6] Муравьев, А.В. Перестраиваемый узкополосый лазер на межпод-зонных переходах дырок германия / А.В. Муравьев, С.Г. Павлов,

B.Н. Шастин // Квантовая электроника. - 1993. - Т. 20. Вып 2 -

C.142-148.

[7] Gavrilenko, V.I. Negative mass cyclotron resonance maser / V.I. Gavri-lenko and Z.F. Krasil'nik // OptQuant.Elect. - 1991. - Vol.23. - S323-S329.

[8] Ivanov, Y.L. Generation of Cyclotron Radiation by Light Holes in Germanium / Ivanov Y.L. // Optical and Quantum Electronics -1991.-Vol.23.-S253-S265.

[9] Mitygin, Yu.A. Wide-Range Tunable Sub-Millimeter Cyclotron Resonance laser / Mitygin Yu.A., Murzin V.N., Stoklitsky S.A., Chebotarev A.P. // Optical and Quantum Electronics - 1991. - Vol.23. - S307-S311.

[10] Алтухов, И. В. Межзонное излучение горячих дырок в Ge при одноосном сжатии / И. В. Алтухов, М.С. Каган, В.П. Синие // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т.47. - С. 136.

[11] Faist, J. Long-wavelength infrared semiconductor lasers / Jerome Faist and Carlo Sirtori // Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken,

New Jersey. - 2004. - P.217-278

[12] Kohler, R. Terahertz semiconductor-heterostructure laser / Kohler R., Tredicucci A., Beltram F., Beere H., Linfield E., Davies G., Ritchie D., Iotti R.C., and Rossi F. //Nature. - 2002. - Vol. 417. - P. 156-159.

[13] Williams, B. S. Terahertz quantum-cascade lasers / Williams B.S. // Nature Photonics. - 2007. - Vol. 1. - P. 517-523.

[14] Kumar, S. Recent Progress in Terahertz Quantum Cascade Lasers / S.Kumar // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. -2011.-V.17 issue 1.- P. 38-41

[15] Dargys, A. Handbook on Physical Properties of Ge, Si, GaAs and InP / Dargys A. and J. Kundrotas // Science and Encyclopedia Publishers, Vilnius - 1994.-P.262

[16] Shastin, V. N. Stimulated THz emission from group-V donors in silicon under intracenter photoexcitation / V. N. Shastin, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, S. G. Pavlov, M. H. Rummeli, H.-W. Hiibers, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, H. Riemann, I. V. Bradley, and A. F. G. van der Meer // Appl. Phys. Lett. -2002.-Vol. 80, Issue 19. - P. 3512-3514.

[17] Pavlov, S. G. Terahertz silicon lasers: Intracenter optical pumping / S. G. Pavlov, H.-W. Hiibers, M. H. Rummeli, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, R. Kh. Zhukavin, A. V. Muravjov, and V. N. Shastin // "Towards the First Silicon Laser", Eds. L. Pavesi et al., NATO Science Series II: Mathematics, Physic and Chemistry. Kluwer Academic Publishers. - 2003. - Vol. 93. - P. 331-340.

[18] Muravjov, A.V. Amplification of Far-Infrared Radiation on Light Hole Cyclotron Resonance in Silicon in Crossed Electric and Magnetic Fields / Muravjov A.V., Strijbos R.C., Wenckebach W.Th., and Shastin V.N. // 21th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Berlin. Conference proceeding - 1996. - CThl 1.

[19] Dehlinger, G. Intersubband electroluminescence from silicon-based quantum cascade structures / Diehl L., Gennser U., Sigg H., Faist J., Ensslin K., Grutzmacher D., Muller E. // Science. -2000. Dec 22. - 290 (5500). - P. 2277-2280.

[20] Kagan, M. S. THz lasing of SiGe/Si quantum-well structures due to shallow acceptors / M. S. Kagan, I. V. Altukhov, E. G. Chirkova, V. P. Sinis, R. T. Troeger, S. K. Ray, and J. Kolodzey // Physica Status Solidi B -2003. - Vol.235. Issue 1. - P. 135-138.

Список работ автора по теме диссертации

[AI] Pavlov, S.G. Low-threshold terahertz SvAs laser / S.G. Pavlov, U. Boettger, H.-W. Huebers, R.Kh.Zhukavin, K.A.Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, V.N.Shastin, N. V. Abrosimov, H. Riemann // Appl. Phys. Lett..-2007.-. V.90.-P. 141109-(l-2) [A2] Zhukavin, R. Kh. Influence of uniaxial stress on stimulated terahertz phosphor and antimony donors in silicon / R.Kh. Zhukavin, V.V. Tsyplenkov, K.A. Kovalevsky, V.N. Shastin, S.G. Pavlov, U. Bottger, H.W. Hubers, H. Riemann, N.V. Abrosimov, and N. Notzel // Appl. Phys. Lett..- 2007,-v.90.-P. 051101-(l-3) [A3] Цыпленков, B.B. Релаксация возбужденных состояний доноров в кремнии с излучением междолинных фононов / Цыпленков В.В., Ковалевский К.А., Шастин В.Н. // Физика и техника полупроводников. - 2008. - том 42, вып. 9. - С. 1032 [A4] Цыпленков, В.В. Влияние одноосной деформации на релаксацию возбужденных состояний мелких доноров в кремнии при взаимодействии с междолинными фононами / Цыпленков В.В., Ковалевский К.А., Шастин В.Н. // Физика и техника полупроводников. -2009.-том 43, вып. П. - С. 1450 [А5] Pavlov, Sergey G. Optimizing the Operation of Terahertz Silicon Lasers / Sergey G. Pavlov, Heinz-Wilhelm Hubers, Ute Bottger, Roman Kh. Zhukavin, Veniamin V. Tsyplenkov, Konstantin A. Kovalevsky and Valery N. Shastin // Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal. - 2009. - V. 15, № 3. - P. 925 [A6] Shastin, V.N Advanced THz laser performance of shallow donors in axially stressed silicon crystal / V.N. Shastin, R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, S.G. Pavlov and H.-W. Hubers // J. of Physics: Conference Series. -2009. - v. 193, № 012086. - P. 1-4 [A7] Zhukavin, R.Kh. Spin-orbit coupling effect on bismuth donor lasing in stressed silicon / R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, V.N. Shastin, S.G. Pavlov, H.-W. Hubers, H. Riemann,N.V. Abrosimov and A. K. Ramdas // Appl. Phys. Lett.. - 2011. - v99 -171108-C1-3)

[A8] Zhukavin, R.Kh. Silicon THz Lasers Performance Under Uniaxial Stress/ R.Kh. Zhukavin, S.G. Pavlov, H.-W. Hubers, K.A. Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, V.N. Shastin // The joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics, 18th to 22nd 2006 Shanghai, China-P.393

[A9] Shastin, V.N. THz lazing from shallow donors in silicon/ V.N. Shastin, R.Kh. Zhukavin, V.V. Tsyplenkov, K.A. Kovalevsky, S.G. Pavlov, H.-

W. Huebers // ICONO/LAT 2007, May 28-June 1, 2007, Minsk, Belarus.

[A 10] Pavlov, S.G. Stress-controlled impurity-phonon resonances in terahertz silicon lasers / S.G. Pavlov, H.-W. Huebers, U. Bottger, R.Kh. Zhukavin, V.V. Tsyplenkov, K.A. Kovalevsky, V.N. Shastin, N.V. Abrosimov, N. Notzel, H. Riemann // Phonons 2007: Book of abstracts of the 12th Int. Conf. on Phonon scattering in condensed matter, Conservatoire National des Arts et Metiers, Paris, 15-20 July 2007 - P 132-133

[All] Shastin, Valery N. THz lasing of shallow donors in stressed silicon crystal / Valery N. Shastin, Roman Kh. Zhukavin, Konstantin A. Kovalevsky, Veniamin V. Tsyplenkov, Sergey G. Pavlov, HeinzWilhelm Hubers // CAOL 2008: 4th International Conference on Advanced Optoelectronics and lasers, Alushta, Crimea, Ukraine, 2008, IEEE Catalog No CFP08814-PRT. - P.254-256

[A 12] Shastin, V.N. Advanced THz laser performance of shallow donors in axially stressed silicon srystal / V.N. Shastin, R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky and V.V. Tsyplenkov, S.G. Pavlov and H.-W. Hubers И Optoelectronics and Nanostructures: 16th International conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Montpellier, France, Auguest 23-28, 2009.-P. 173

[A 13] Ковалевский, K.A. Стимулированное излучение доноров в деформированном кремнии / К.А Ковалевский, В.Н. Шастин, Р.Х. Жу-кавин // IX Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск-Томск, 28 сентября- 3 октября 2009. - С.239

[А 14] Tsyplenkov, V.V. Lifetimes of operating states in terahertz intracenter silicon lasers / V.V. Tsyplenkov, R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.N. Shastin, H.- W. Huebers, S.G.Pavlov, N.V. Abrosimov, P.J. Phillips, D.A., Carder // NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications TERA - MIR 2009, 3-6 November 2009: Institute of Theoretical and Applied Physics, Turunc-Marmaris, Turkey - P.85.

[A 15] Zhukavin, R.Kh. Fine Tuning of THz Emission Line in Si Lasers / R.Kh. Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, V.N. Shastin, S.G. Pavlov, H.-W. Huebers // Procedings of IRMMW-THz (2009) conference, September 21-25, Paradise Hotel, Busan, Korea, M3A03.0325

[A 16] Шастин, В.Н. Стимулированное излучение доноров в одноосно деформированном кремнии / В.Н. Шастин, Р.Х. Жукавин, К;А.

Ковалевский, В.В. Цыпленков, С.Г. Павлов, H.-W. Hubers // Труды II симпозиума по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур, М.: ФИАН. - 2010. - С.49-58

[А 17] Zhukavin, Roman Kh. Stress dependent frequency shift in Si:Bi and Si:Sb THz lasers / Roman Kh. Zhukavin, K. A. Kovalevsky, V. V. Tsyplenkov, V. N. Shastin, S. G. Pavlov, U. Bottger, N. Notzel, H. Riemann, N. V. Abrosimov, and H.-W. Hubers // The 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz 2010), Rome (Italy), September 5 to September 10, 2010

[A 18] Shastin, V.N. Gain and efficiency of THz donor lasing in axially stressed silicon crystal / V.N. Shastin, R.Kh, Zhukavin, K.A. Kovalevsky, V.V. Tsyplenkov, S.G. Pavlov, and H.-W. Hubers // The 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz 2010), Rome (Italy), September 5 to September 10, 2010

[A19] Шастин, B.H. Особенности стимулированного излучения доноров V группы в одноосно деформированном кремнии / В.Н. Шастин, Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, В.В. Цыпленков, S.G. Pavlov, U. Botger, Н. Riemann, N.V. Abrosimov, and H.-W. Huebers // Труды X Российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, 19-23 сентября 2011. - С.12

[А20] Жукавин, Р.Х. Влияние спин-орбитального взаимодействия на стимулированное излучение донорами в деформированном кремнии / Р.Х. Жукавин, К.А. Ковалевский, В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин, S.G. Pavlov, U. Botger, Н. Riemann, N.V. Abrosimov, H.-W.Huebers // Труды X Российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, 19-23 сентября 2011.-С.168

Ковалевский Константин Андреевич

СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ДОНОРАМИ У-ГРУППЫ В ДЕФОРМИРОВАННОМ КРЕМНИИ

Автореферат

Подписано к печати 26 января 2012 г. Тираж 100 экз. Отпечатано в Институте физики микроструктур РАН, 603950, г. Н. Новгород, ГСП-105.

61 12-1/728

Российская академия наук Институт физики микроструктур

На правах рукописи

Ковалевский Константин Андреевич

Стимулированное излучение донорами У-группы в деформированном кремнии

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н. В.Н. Шастин

Нижний Новгород - 2012

Содержание:

Введение 2

Глава I. Доноры V группы в кремнии 12

§1.1 Теория мелкого примесного центра в кремнии 12

§ 1.2 Спектроскопия мелких примесных центров в кремнии 16

§1.3 Спектр примесного центра в деформированном кристалле 17

§1.4 Влияние деформации на оптические свойства примесных центров 21

§1.5 Пьезоспектроскопия мелких доноров в кремнии 24

§1.6 Лазеры дальнего ИК диапазона на примесных переходах в кремнии 25

§ 1.7 Сечение фотоионизации доноров в деформированном кремнии 29

§1.8 Релаксация носителей заряда в зоне проводимости 31

§1.9 Захват электронов на притягивающие центры 33

§1.10 Захват электронов на нейтральные доноры 3 6

§1.11 Поглощение дальнего ИК излучения П центрами 37

§1.12 Релаксация электронов по примесным состояниям 3 9

Глава II. Методика эксперимента 46

§2.1 Экспериментальная установка 46

§2.2 Поляризатор 51

§2.2 Исследуемые образцы 53

Глава III. Стимулированное излучение доноров сурьмы в деформированном 55 кремнии

§3.0 Особенности Бг.БЬ и взаимное расположение глав 55

§3.1 Эффект стимулированного излучения в БгЯЪ без деформации 56

§3.2 Интенсивность выходного излучения в деформированном Бг-БЬ 58

§3.3 Временные зависимости импульсов излучения Бг-БЬ при одноосном 61 сжатии вдоль направлений [100]

§3.4 Спектральные измерения 62

§3.5 Влияние одноосной деформации на энергетический спектр БгЯЬ 66

§3.6 Безизлучательная релаксация на междолинных фононах. Поглоще- 68 ние ТГц излучения П центрами в деформированном БгЯЪ

Глава IV. Стимулированное излучение доноров фосфора в деформированном 71 кремнии

§4.0 Особенности Бг.Р 71

§4.1 Эффект стимулированного излучения в без деформации 72

§4.2 Измерение интенсивности выходного излучения Бг.Р при одноос- 74 ном сжатии вдоль направления [100]

§4.3 Спектральные измерения излучения 57при одноосном сжатии 76 вдоль направления [100]

§4.4 Временные зависимости импульсов излучения Бг.Р при одноосном 78 сжатии вдоль направления [100]

§4.5 Случай деформации вдоль кристаллографического направления 80 [110]

§4.6 Изотопически чистый nSi:P при одноосном сжатии вдоль [100] 81

§4.7 Влияние одноосной деформации на энергетический спектр Si:P 85

§4.8 Безизлучательная релаксация на междолинных фононах в одноос- 87 но-деформированном Si:P

Глава V. Стимулированное излучение доноров мышьяка в деформированном 90 кремнии

§5.0 Исследование Si:As 90

§5.1 Эффект стимулированного излучения в Si:As без деформации 91

§5.2 Измерение интенсивности выходного излучения Si:As при одноос- 93

ном сжатии вдоль направления [100]

§5.3 Измерение интенсивности выходного излучения Si:As при одноос- 95

ном сжатии вдоль направления [013]

§5.4 Измерение интенсивности выходного излучения Si:As при одноос- 96

ном сжатии вдоль направления [110]

§5.5 Спектральные измерения излучения Si\As при одноосном сжатии 98

вдоль направлений [100] и [110]

§5.6 Временные зависимости импульсов излучения Si:As при одноосном 100

сжатии вдоль направлений [100] и [013]

§5.7 Влияние одноосной деформации на энергетический спектр Si:As 104

§5.8 Безизлучательная релаксация на междолинных фононах в одноосно 104

деформированном Si:As

Глава VI. Стимулированное излучение доноров висмута в деформированном 109 кремнии

§6.0 Об особенностях Bi 109

§6.1 Лазерный эффект в недеформированном Si\Bi 110

§6.2 Выходная интенсивность стимулированного ТГц излучения в Si:Bi 112

при одноосной деформации вдоль направления [100]

§6.3 Выходная интенсивность стимулированного ТГц излучения в Si:Bi 115

при одноосной деформации вдоль направления [110]

§6.4 Спектральные особенности стимулированного излучения Si:Bi в 117

условиях одноосной деформации вдоль направлений [100] и [110]

§6.5 Временные зависимости импульсов излучения Si:Bi при одноосном 120

сжатии вдоль направления [100]

§6.6 Влияние одноосной деформации на энергетический спектр Si:Bi 123

§6.7 Безизлучательная релаксация на междолинных фононах в одноос- 124

но-деформированном Si:Bi

Глава VII. Основные факторы, влияющие на характеристики стимулирован- 129

ного излучения. Оптимальные параметры

§7.0 Сравнение доноров 129

§7.1 Влияние деформации [100] на внутрицентровую релаксацию с уча- 129

стием междолинных фононов/- и g- типа

§7.2 Распределение электронов по долинам и инверсия при одноосной 134

деформации вдоль [100]

§7.3 Поглощение ТГц излучения отрицательными донорами и внутрен- 135 ние потери в среде

§7.4 Оптимальные значения деформации сжатия 136

Заключение 138

Приложение 139

Цитируемая литература 141

Список публикаций автора 147

Введение

Актуальность темы

Поиск эффективных источников когерентного излучения в терагерцовом диапазоне частот 1-10 ТГц (дальнем ИК диапазоне 30-300 мкм) вызывает повышенный интерес уже на протяжении полувека. Это связано с огромным количеством возможных приложений: такие источники могут быть использованы в спектроскопии плазмы, газов и твердых тел, в радиоастрономии, в медицине, системах безопасности, в устройствах для хранения и передачи информации и т.д.

В настоящий момент существуют различные источники терагерцового излучения. К приборам вакуумной СВЧ электроники относятся лазеры на свободных электронах [1], имеющие рекордные мощности для данного диапазона, достигающие величин ~1МВт и возможность перестройки частоты в широком диапазоне, а также лампы обратной волны [2], с длинами волн до 100 мкм и мощностями ~1мВт. Недостатком первых является громоздкость. Вторые ограничены в продвижении в коротковолновую область из-за проблем миниатюризации замедляющих систем и уменьшения поперечных размеров пучка. К другому классу устройств ТГц диапазона можно отнести газовые лазеры, в которых получен большой набор линий генерации при оптическом возбуждении вращательно-колебательных переходов молекул (НгО, £>2О, СЩОН и другие) [3]. Тем не менее, ограниченный выбор линий и сложность в перестройке частот ограничивают сферу их применений.

Стремление получить компактный эффективный источник излучения терагерцового диапазона привело к реализации лазерного эффекта в полупроводниках. Первые полупроводниковые лазеры длинноволнового ИК излучения работали на межзонных переходах в узкозонных материалах РЬБпБе [4] и достигли длин волн ~40 мкм. Первыми источниками на внутри-зонных переходах стали лазеры на горячих дырках в германии: лазер на межподзонных переходах (70 - 200 мкм) [5,6], НЕМАГ (700 - 2000 мкм) [7], лазер на циклотронном резонансе в скрещенных электрическом и магнитном полях (100 - 400 мкм) [8,9]. Общим недостатком р-Се лазеров, ограничивающих их применение, является малая эффективность, что затрудняет реализацию непрерывного режима генерации. Позднее появились работы, сообщающие о стимулированном излучении разогретыми электрическим полем дырками в одноосно деформированном германии и возможностью работы в непрерывном режиме с перестройкой длины волны вблизи 100 мкм путем изменения приложенного давления [10].

Наибольший резонанс получили успехи в развитии источников стимулированного излучения на переходах между состояниями размерного квантования СаАя/АЮаАя и 1п-ОаАз/АПпАя гетероструктурах при вертикальном транспорте электронов [11]. Возможность

выращивать требуемые многослойные гетероструктуры с моноатомной точностью [12] позволила смоделировать и реализовать различные лазерные схемы. В результате квантово-каскадным лазерам удалось перекрыть диапазон 3-24 мкм, 67 - 200 мкм и работать при температурах до 150 К. [13] Достижения в этом направлении отчасти способствовали спаду интереса ко многим другим идеям создания полупроводниковых источников в этом диапазоне. Тем не менее, квантово-каскадные лазеры имеют ряд недостатков, среди которых отсутствие генерации в диапазоне 30 - 50 мкм из-за сильного решеточного поглощения [14].

В кремнии решеточное поглощение мало [14], и с учетом развитой технологии, создание ТГц источников на основе кремния представляет устойчивый интерес на протяжении десятков лет. К настоящему времени эффект стимулированного ТГц излучения получен на внут-рицентровых переходах оптически возбуждаемых доноров V группы (сурьма, фосфор, мышьяк, висмут) в кремнии [15,16]. Линии генерации лежат в диапазоне 47 - 59 мкм и связаны с 2р—*\з переходами. Данный источник является первым и пока единственным источником терагерцового диапазона в кремнии. Также можно отметить работы по получению инверсии населенностей в объемном Бг.В в скрещенных электрическом и магнитном полях [17] и получение электролюминесценции из 57/57Се гетероструктур [18,19].

Цель работы

Целью диссертационной работы являются экспериментальные исследования влияния одноосной деформации на формирования инверсии населенности между локализованными состояниями доноров V группы (БЪ, Р, Аз, Вг) в кремнии и характеристики стимулированного излучения при оптическом возбуждении СОг лазером.

Научная новизна

1. Впервые получено стимулированное излучение из кремния, легированного донорами V группы (БЪ, Р, Ая, Вг'), в условиях одноосного сжатия кристалла вдоль кристаллографических направлений [100], [110]; исследованы выходная интенсивность, временные и спектральные характеристики выходного излучения в зависимости от величины

2. Впервые экспериментально показано, что изменение состояний доноров в одноосно деформированном кремнии может приводить к снижению порога генерации, росту квантовой эффективности, появлению новых частот генерации.

3. Впервые экспериментально показано, что взаимодействие с междолинными фононами /и £-типа определяет времена жизни примесных состояний 2ро, 2р±, ^(Гг) доноров 8Ь, Р и Аэ в кремнии.

Научная и практическая значимость

Научная значимость состоит в получении новых данных о физике релаксационных процессов состояний доноров в кремнии при их фотовозбуждении, способных приводить к формированию инверсной заселенности примесных состояний и генерации излучения в диапазоне 4,9-6,3 ТГц в условиях низких температур.

Практическая значимость определяется реализацией кремниевого лазера с малым порогом и новыми частотами генерации. Данный источник может быть использован в качестве гетеродина в радиоастрономии. Результаты работы показывают возможность получения непрерывного режима генерации в деформированном кристалле.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оптическая накачка одноосно деформированного кремния, легированного донорами V группы (БЬ, Р, Аз, Вг), позволяет получить эффект стимулированного излучения на внут-рицентровых переходах между 2р и состояниями при гелиевых температурах.

2. Изменение величины одноосной деформации приводит к изменению инверсии населен-ностей, квантовой эффективности, порогов, а также спектральных характеристик стимулированного излучения; особенности поведения каждого донора связаны с величиной «химического сдвига».

3. Для каждого донора существуют области оптимального давления, где наблюдается наименьшее значение пороговой интенсивности накачки и/или наибольшее значение выходной мощности стимулированного излучения.

4. Зависимое от деформации кристалла расщепление 1л- состояния, связанное со спин-орбитальным взаимодействием, определяет спектр стимулированного излучения доноров В1 в кремнии.

Личный вклад автора в получение результатов

- Определяющий вклад в подготовку и проведение экспериментальных исследований по получению стимулированного излучения из кремния, легированного донорами У-группы, и измерению его выходной интенсивности в условиях одноосного сжатия кристалла и фотоионизации излучением СОг лазера [А1- А9].

- Равнозначный вклад в получение спектральных зависимостей стимулированного излучения доноров V группы при их фотоионизации в условиях одноосного сжатия кристалла [А4,А5,А8-А10] (совместно с Р.Х. Жукавиным и С.Г. Павловым).

- Равнозначный вклад в обсуждение и интерпретацию всех экспериментов по возбуждению доноров излучением СОг лазера в одноосно деформированном кремнии [А4,А5,А8-А10] (совместно с Р.Х. Жукавиным, С.Г. Павловым и В.Н. Шастиным), а также вопросов теоретического анализа внутрипримесной релаксации с испусканием междолинных фононов [АЗ,А6,А7] (совместно с В.В. Цыпленковым и В.Н. Шастиным).

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах ИФМ РАН (Нижний Новгород), Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, Института исследования планет (Берлин). Основные результаты диссертации представлялись на радиофизических конференциях ННГУ им. Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород, 2003, 2004); всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2003); всероссийском семинаре по терагерцовой оптике и спектроскопии в рамках конференции по фундаментальным проблемам оптики (С.Петербург, 2008); X, XII, XV международных симпозиумах по нанофизике и наноэлектронике (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2011); 7, 9 и 10 Российских конференциях по физике полупроводников (Звенигород 2005, Новосибирск-Томск, 2009, Нижний Новгород, 2011); 29-ой, 31-ой, 34-ой и 35-ой Международной конференции по инфракрасному, миллиметровому и терагерцовому излучению (Карлсруэ, Германия, 2004, Шанхай, Китай, 2006, Бусан, Корея, 2009, Рим, Италия, 2010); совещании по нанофотонике (Н.Новгород, 2004); XIX Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, лазерам, их приложениям и технологиям (Минск, Беларусь, 2007); 12-ой международной конференции по рассеянию фононов в конденсированных средах (Париж, Франция, 2007); 4-ой международной конференции по современной оптоэлектроники и лазерам (Алушта, Украина, 2008); 16-ой международной конференции по динамике электронов в полупроводниках (Монтпелье, Франция, 2009); международной конференции по ТГц и среднему ИК излучению (Турунк-Мармарис, Турция, 2009); II и III симпозиуме по когерентному оптическому излучению полупроводниковых соединений и структур (Москва, 2010, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в реферируемых научных журналах и изданиях, а также 22 работы в материалах конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Общий Объем диссертации составляет 135 страниц, включая 130 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 79 наименование, список публикаций автора по теме диссертации - 32 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее научная значимость, сформулированы цели и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, а также представлены сведения о структуре и содержании работы.

В первой главе отражены теоретические и экспериментальные предпосылки для создания инверсии населенности в одноосно деформированном кремнии, легированном мелкими донорами при их оптическом возбуждении. Большой набор накопленных данных дает информацию об энергетическом спектре и волновых функциях мелких доноров в деформированном кристалле, а также о релаксационных процессах, контролирующих электронные распределения в такой среде. Отражены особенности оптических свойств мелких доноров в одноосно деформированном кристалле кремния.

Вторая глава содержит описание экспериментальной методики для наблюдения стимулированного излучения ТГц диапазона частот из мелких доноров в монокристаллическом кремнии при одноосном сжатии кристалла и фотовозбуждении СОг лазером. Приведены характеристики исследуемых в эксперименте образцов монокристаллического кремния, легированного мелкими донорами.

Третья глава посвящена исследованию стимулированного эффекта в Si:Sb при фотовозбуждении СОг лазером в одноосно деформированном кристалле. Полученная зависимость интенсивности выходного стимулированного излучения от деформации носит немонотонный характер, и при больших накачках имеет максимум вблизи 0,4 кбар. Область генерации определяется взаимодействием рабочих состояний с междолинными TA-f, TA-g и LA-g фонона-ми и лежит в диапазоне давлений 0<Р<1,5 кбар. Имеют место две линии генерации: 2ро"—^(Т^-Гб) и 2pd—>\s(T2-r-]). Первый переход соответствует частоте 171,8 см"1, которая остается постоянной при изменении давления. Энергия второго перехода зависит от величины и направления деформации и соответствует области частот 171,8-173 см"1. Такое поведение определяется спин-орбитальным взаимодействием. При величине сжатия -0,7 кбар порог генерации падает больше чем на два порядка величины до рекордно малых интенсивностей накачки <100 Вт/см2. Основные результаты содержатся в работах [А5, А19, А20, А22-24,

А