Лазеры терагерцового диапазона частот на примесных центрах в кремнии и германии

Актуальность темы

.

Элементарные полупроводники — кремний и германий, а также полупроводниковые соединения на их основе — кремний-германиевые кристаллы и неоднородные структуры, являются объектами широкомасштабных, интенсивных, фундаментальных и прикладных исследований, направленных на более глубокое понимание природы физических эффектов, определяемых различными примесными центрами и дефектами в кристаллической матрице полупроводников, а также использованием их для построения традиционных и принципиально новых полупроводниковых электронных приборов и устройств. Примесные центры — неотъемлемые структурные элементы реальных полупроводниковых материалов. Являясь объектами наноскопического уровня, примеси определяют в конечном счете основные макроскопические свойства полупроводников: электрои теплопроводность, оптические и магнитные свойства. Постоянный интерес к исследованию возможности создания оптических устройств на основе кремнийи германий-содержащих полупроводников поддерживается в современной кремниевой оптоэлектронике, рассматривающей данные материалы в качестве перспективных кандидатов для создания дешевых, надежных и технологически доступных устройств для передачи и хранения информации. Особое внимание уделяется в последнее время физическим явлениям и процессам, происходящим в терагерцовом спектральном диапазоне частот, который лежит между микроволновым и оптическим диапазонами, давно и широко используемыми, и инструментально представленными традиционными радиоэлектронными и оптическими устройствами. Терагерцовый диапазон частот электромагнитного спектра (1−10 ТГц), альтернативно называемый также длинноволновым/дальним инфракрасным диапазоном длин волн (30−300 мкм), представляет значительный интерес в современных фундаментальных и прикладных исследованиях [20 038]. Продвижение в данный спектральный диапазон может существенно раздвинугь достигнутые границы исследований в радиоастрономии для исследования физических процессов на ранней стадии развития Вселенной [2002Б]- в молекулярной и твердотельной спектроскопии для изучения спектров колебаний органических соединений и состояний конденсированной среды и ее дефектов и др. [1998Г, 2006 В, 2007Н]. С прикладной точки зрения привлекают возможности терагерцового излучения в биологии [2002Р, 2004Б], например, для ранней диагностики дерматологических онкологических заболеванийв системах безопасности [2005Р], например, для дистанционного обнаружения потенциально опасных органических материаловв системах сверхплотной и/или скрытной передачи информации [2003W], Полупроводниковые и сверхпроводниковые твердотельные детекторы предлагают качественное обнаружение и анализ сигналов в ТГц диапазоне [1996Г, 2003Б, 2006С]. В то же время, полупроводниковые источники когерентного ТГц излучения все еще находятся в стадии изучения принципов и разработки реальных устройств. Узкозонные четверные полупроводниковые соединения обеспечивают когерентным стимулированным излучением широкий диапазон в ближней и средней части инфракрасного (ИК) спектра от 2,5 мкм до 35 мкм [1980М2]. К началу цикла исследований, представленных в диссертационной работе, единственными фундаментальными полупроводниковыми лазерами ТГц диапазона являлись генераторы на основе межподзонных переходов и связанным с ними излучением на переходах между уровнями Ландау легких дырок валентной зоны дырочного германия (p-Ge лазер), работающие в импульсном режиме при накачке скрещенными электрическим и магнитным полями (ELB) при низких температурах (<20 К) и перекрывающие диапазон частот 1−4,2 ТГц для межподзонных p-Ge лазеров (см. [А1993М2] и обзор [А2005Н1] и 1,2−2,8 ТГц для p-Ge лазеров «на циклотронном резонансе» [2009К]. Отличительной особенностью данных лазеров является аномально широкий спектр усиления, позволяющий реализовывать широко, и непрерывно перестраиваемые по частоте источники излучения. Однако, низкая эффективность p-Ge лазеров (коэффициент усиления ~ 0,01 см" 1 [А1999М]) и высокие потребляемые мощности (типичные значения полей и тока: 1 Тесла, 1 кВ/см, 500 А) в значительной степени ограничивают возможности применения данных источников. В последнее время достигнут существенный прогресс в расширении спектра излучения в длинноволновую часть для инфракрасных квантово-размерных каскадных лазеров на арсенид-галлиевых гетероструктурах, перекрывших к настоящему времени диапазон 1−5 ТГц (см. например обзор [2007W]). Необходимая для усиления света инверсная заселенность состояний двухмерных подзон в этих лазерах формируется при вертикальном транспорте электронов по т. н. квантовому каскаду, что предопределяет высокие коэффициенты усиления ТГц излучения на переходах между подзонами двумерных электронов в квантовых ямах. Эти лазеры демонстрируют высокую эффективность — до единиц процентов, высокие рабочие температуры — до 150 К, непрерывный режим генерации, относительно низкое потребление энергии. К сожалению, серьезным недостатком каскадных лазеров являются ограничения, накладываемые микроскопическими размерами активной среды (типичные толщины структур не превышают 10−15 мкм), которые предопределяют высокие потери длинноволнового излучения в субволновых резонаторах, не позволяют сформировать узкую диаграмму направленности выходного излучения, необходимую для использования данных устройств во многих оптических схемах. Продвижение арсенид-галлиевых каскадных лазеров в длинноволновую область ТГц спектра ограничено ростом потерь излучения в резонаторе и поглощением излучения свободными электронами, а в высокочастотную часть ТГц спектра — полярным решеточным поглощением. Альтернативными принципами генерации ТГц излучения в полупроводниковых активных средах можно считать нелинейные эффекты смешения частот в полупроводниковых лазерных диодах [2002 В, 2007Б] и нелинейные механизмы генерации с участием межподзонных переходов в каскадных лазерах [20 030, 2007В]. Первый тип указанных источников характеризуется низкой выходной мощностью и относительно широкой линией излучения, что ограничивает прикладные возможности, в то время как второй является частным случаем конкретного спектра электронных состояний в гетероструктуре и не может быть обобщен для реализации широкого спектра устройтв ТГц диапазона частот.

Значительный интервал частот, от 5 до 10 ТГц, остается до настоящего времени недоступным для полупроводниковых источников стимулированного излучения.

В данной диссертационной работе исследуется альтернативный подход к разработке лазеров ТГц диапазона частот на основе элементарных полупроводников и их соединений. Он использует оптические переходы между локализованными состояниями водородоподобных примесных центров в кремнии, германии и кремний-германиевых соединениях. Примесные центры в полупроводниках предлагают уникальную возможность создания эффективных оптических устройств для материалов с непрямой зонной структурой, т. е. когда зона проводимости имеет минимум (дно) спектра состояний свободных электронов, смещенный относительно аналогичного минимума (потолок) спектра электронных состояний валентной зоны. В таких материалах, в том числе в элементарных полупроводниках кремнии и германии, традиционная схема создания инверсной заселенности — ииверсия между зоной проводимости и валентной зоной — неэффективна. Структура внутренних (внутрицентровая) состояний примесного центра, напротив, предлагает возможность прямых оптических переходов, независимо от положения дна зоны проводимости в зоне Бриллюэна. Это принципиальное качество было предложено для создания инвертированных распределений заряда на состояниях мелких (т. е. с энергией ионизации значительно меньше ширины запрещенной зоны) водородоподобных донорных центров в кремнии с помощью их фотоионизации при низких температурах кристаллической решетки [1 996 511]. Возможность создания полупроводниковых лазеров ТГц диапазона частот на основе внутрицентровых переходов, характеризующихся высокими значениями сил осциллятора и длинными, по сравнению с состояниями подзон, временами жизни, представляет значительный интерес как с чисто фундаментальной точки зрения (рис. 1), так и с позиции их потенциального интегрирования в цепях современных оптоэлектронных устройств [2006Ь].

APPLIED PHYSICS.

Toward Bridging the Terahertz Gap with Silicon-Based Lasers.

Alexander Borak.

Many technologies use the optical and electronic regions of tlie electromagnetic spectrum. Wavelengths <30 jim are used in optical data storage, fiber-optic communications, and spectroscopy, whereas wavelengths >300 jim are the domain of electronics, radio communi-catious.and radar. In contrast, the «terahertz gap» from 3(1 to 300? im f I to 10 THz) has barely been exploited because no cheap and practical sources of terahertz radiation exist. In recent years, substantial progress has been made in developing such devices. Tehahertz lasers based on silicon would be particularly desirable because of their compatibility with silicon technology.

The development of a silicon-based terahertz laser is part of the larger effort to build the first silicon-based laser. The latter effort recently received a boost with the announcement ofan optically pumped silicon Raman laser operating at ~ 1.7 tin (l).

100 DO ?0.

Wavelength (pm) 70 60 ao.

3.5.

29 APRIL 2005 VOL 308 SCIENCE www.sriencemag.org.

Published by AAAS lasing at similar waclcngths from silicon moncicrystals doped with arsenic (S).

These silicon-based terahertz lasers an: being developed for applications in astronomy and atmospheric spectroscopy. IIo\eer, they require a separate optical pump laser and operate only at low temperatures. An ideal laser would be electrically pumped, directly emit terahertz radiation. and operate at room temperature.

Impurity emission from doped 5,0 silicon can also be initiated by electrical pumping. Lv el ul. recently demonstrated impurity-related electroluminescence from 20to 50 um (6 to I-I TIIz) from doped silicon under pulled currents (9). Tlie results are encouraging and the devices easy to fabricate, but the emission degrades above 20 K. Furthermore, if the devices are to lase, population inversion is required, and no evidence of this was seen for these structures.

In 2002, Koilier cl til. reported the development of a terahertz quantum cascadc laser based on lavercd IH-V semiconductor het-erostructurcs (JO). The work was a major step toward a compact and practical electrically pumped terahertz emitter. In a quantum cascade.

C02 pump.

1- /sfcP c.b.

2pD.

ISfTz) :

1S (A,).

65 toIS 5.0 55 Frequency (THz).

A terahertzphosphorus-doped silicon (Si:P) laser. A sharp emission is seen at -5.5 THz, Such terahertz silicon lasers may eventually be used on telescopes such as the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. Left inset: Optical pumping of Si: P (blue arrow) leads to terahertz User emission fred arrow}. Middle inset: In 5i: P.

Рис. i. Фрагмент обзорной статьи Science [2005В] о перспективах развития кремний-содержащих активных сред терагерцового диапазона частот, цитирующей принцип внутрицентровой генерации излучения (кремниевый лазер, легированный фосфором).

Кремний и германий характеризуются низким уровнем оптических потерь в указанном спектральном диапазоне, высокой теплопроводностью, технологичностью, и наиболее высоким для полупроводников уровне контроля дефектов и вводимых примесей, включая водородоподобные центры. Такие центры давно являются объектами разностороннего изучения. Однако основные работы, как правило, были направлены на исследование спектров локализованных состояний в равновесных условиях, спектроскопию примесного поглощения (см., например, обзор [198 111]), изучения влияния примесных центров на электропроводность полупроводников и связанные с этим проблемы захвата свободных носителей заряда на кулоновские центры [1997А1]. В умеренно легированных материалах с невырожденным спектром электронных состояний при низких (не выше 10−20 К) температурах основной вклад во внутрицентровую релаксацию неравновесных электронов вносят процессы, определяемые взаимодействием с фононным спектром [1978А]. Несмотря на многолетнюю историю теоретического анализа процессов низкотемпературной внутрицентровой релаксации электронов (см.

введение

в [1997А1]), полученные теоретические результаты в рамках различных модельных представлений, основанных как правило на т. н. каскадной схеме захвата, не могли однозначно и количественно точно объяснить экспериментальные результаты по внутрицентровой релаксации электронов в материалах с различными примесными центрами и реализуемые в эксперименте неравновесные населенности возбужденных примесных состояний. В этой связи исследование процессов внутрицентровой релаксации носителей и характерных времен жизни неравновесных электронов имело принципиальное значение для верификации теоретических моделей, а также оценок возможностей создания активных материалов на основе легированных элементарных полупроводников.

В последнее время изучение примесных центров в кремнии снова вызвало повышенный интерес в связи со значительными успехами в технологии получения кристаллов кремния с высоким уровнем обогащения отдельными изотопами:

ЯП.

2001Д, 2006 В, 200 811]. В этих принципиально новых материалах качественным образом меняется динамика высокоэнергетичных фононов, вырастает теплопроводность, коренным образом меняются времена релаксации спина электронных состояний, наблюдаются предельно узкие линии примесного поглощения, ширина которых определяется временем жизни возбужденных состояний центров. Другим стимулом исследований является принципиальная возможность разработки элементов памяти для хранения информации в квантовых компьютерах на основе моноизотоппого кремния [1994К].

Все вышесказанное ставит новые задачи исследования физики неравновесных состояний доноров и акцепторов при их оптическом и полевом возбуждении и последующей релаксации при электрон-фононном взаимодействии. Таким образом, изучение эффектов стимулированного излучения примесными центрами и кремнии, германии и соединениях на их основе, которые определяются особенностями внутрицентровых процессов распада состояний, представляется актуальной задачей в связи с развитием новых устройств кремниевой оптоэлектроники.

Цель диссертационной работы.

1. Экспериментальное исследование неравновесных населенностей состояний мелких доноров и акцепторов в полупроводниках кремнии и германии, а также соединениях на их основе в условиях электронного и оптического возбуждения.

2. Обнаружение эффектов и исследование характеристик стимулированного излучения на переходах между состояниями мелких примесных центров в кремнии и германии в условиях оптического и полевого возбуждения инверсной заселенности.

3. Идентификация рабочих переходов и анализ условий наблюдаемого в эксперименте терагерцового стимулированного излучения в кремнии, легированном водородоподобными донорными центрами.

4. Экспериментальное исследование эффектов вынужденного комбинационного рассеяния инфракрасного излучения на донорах У-й группы в кремнии.

5. Измерение малосигнального коэффициента терагерцового усиления / поглощения на межподзонных переходах валентной зоны германия в скрещенных электрическом и магнитном полях в зависимости от типа акцепторных центров.

6. Отработка методики низкотемпературной (< 20 К) внутрирезонаторной спектроскопии для измерения малых коэффициентов поглощения терагерцового излучения (3−4 ТГц) с использованием лазера на ¿-«-германии.

Научная новизна работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в обнаружении следующих эффектов и впервые полученных данных:

1. Получена и экспериментально исследована генерация излучения терагерцового диапазона частот при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения донорами У-й группы периодической системы (фосфор Р, сурьма БЬ, мышьяк Аэ, висмут В1) в монокристаллическом кремнии.

2. Получено и экспериментально исследовано стимулированное терагерцовое излучение на дипольно-разрешенных переходах между возбужденными состояниями доноров У-й группы при оптической накачке инверсной заселенности этих состояний. Установлены рабочие состояния и специфика лазеров, легированных различными центрами.

3. Экспериментально обнаружен эффект переключения частот (рабочих переходов) стимулированного излучения, связанного с инверсной заселенностью состояний водородоподобных доноров в кремнии, при изменении энергии кванта оптической накачки.

4. Экспериментально доказано наличие различных каналов внутрицентровой релаксации неравновесных носителей, захваченных на донорный кулоновский центр.

5. Установлено влияние внешних электрических (БкР) и магнитных полей (Эк?, :В1) и давления, приложенного к кристаллу (ЗкАэ, БкР), на механизмы и эффективность стимулированного терагерцового излучения в кремнии.

6. Показана зависимость малосигнального коэффициента усиления в лазере на межподзонных переходах валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации скрещенных электрического и магнитного полей от типа акцепторных центров. При оптимальных значениях концентрации легирующих центров коэффициент усиления ТГц излучения в германии, легированном бериллием, составляет 0,02 см" 1 и превышает тот, что может быть получен в германии при его легировании галлием, почти в два раза.

Практическая значимость работы.

1. Полученные результаты по эффектам стимулированного излучения доноров У-й группы в кремнии показывают новые возможности развития полупроводниковых лазеров терагерцового диапазона частот на основе примесных центров.

2. Полученные результаты по временам релаксации возбужденных состояний доноров в кремнии важны для разработки новых устройств на основе мелких доноров в кремнии, в частности, квантовых компьютеров на базе моноизотопного электронного кремния.

Результаты экспериментальных исследований лежат в основе положений, выносимых на защиту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комбинационное рассеяние инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Аэ, ЕЙ) при низких температурах решетки в кремнии приводит к стоксовому процессу стимулированного излучения терагерцового диапазона частот. Стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1л (А1)-1л (Е) перехода между основным и возбужденным состояниями 1, у мультиплета.

2. Фотоионизация доноров У-й группы в кремнии при низких температурах решетки приводит к инверсной заселенности состояний и терагерцовому стимулированному излучению на внутрицентровых 2ро—> Ь’ОГг) переходах в БкБЬ, на 2р±-^> 1д (Т2), 1 ¿-(Е) переходах в ЭкАэ и на 2Ь (Е), Ъ (Т2:Г8), 1л'(Т2:Г8) переходах в ЗкВь.

3. Рабочие уровни терагерцовых внутрицентровых кремниевых лазеров (8кВ1, 8к8Ь, Б^Аб), как нижние 1л (Е), 1л-(Т2), так и верхние 2ро, 2р±-, Зро, 4ро, переключаются при изменении энергии кванта накачки.

4. Инверсная заселенность состояний оптически возбуждаемых доноров при низких температурах решетки в кремнии контролируется внутридолинными и междолинными переходами электронов при излучении акустических (БгР, БкЗЬ, Б^Аз) и оптических (51:Вх) фононов. Специфика внутрицентровой релаксации конкретного донора определяется химическим сдвигом энергии связи основного состояния центра.

5. Частота кремниевых лазеров, использующих внутрицентровые переходы 2р±-—> 1^(Т2), 2р±—>15(Е), непрерывно перестраивается магнитным полем в соответствии с линейным эффектом Зеемана. Для лазеров с рабочим переходом 2ро~> ^" (Тг) магнитное поле не меняет частоты стимулированного излучения по крайней мере до 2 Тесла.

6. Установлено, что механизм, связанный с поглощением на примесно-зонных переходах, приводит к существенному уменьшению результирующего коэффициента усиления ТГц излучения в лазерах на межподзонных переходах валентной зоны в дырочном германии.

Апробация результатов работы.

Основные результаты данной диссертационной работы представлялись в 87 докладах на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

• XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников (Киев, 1990);

• II Всероссийский симпозиум по нелинейным и когерентным эффектам во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Ленинград, 1991);

• I, III, V, VI, VII, VIII, IX Российские конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород 1РКФП 1993; Москва III РКФП 1997; Нижний Новгород — Казань V РКФП 2001; Санкт-Петербург VI РКФП 2003; Звенигород VII РКФП 2005; Екатеринбург VIII РКФП 2007; Новосибирск — Томск IX РКФП 2009);

• Всероссийское Совегцание «Наноструктуры на основе кремния и германия» (Нижний Новгород, 1998);

• Всероссийское Совещание «Нанофотоника» (Нижний Новгород, 2000);

• IX, XII, XIV Ежегодные Симпозиумы «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2005; 2008);

• 24th, 26th, 28th International Conferences on Physics of Semiconductors (Jerusalem, Israel, ICPS 1998; Edinburgh, UK, ICPS 2002; Vienna, Austria, ICPS 2006);

• 9th, 10th International Conferences on Shallow-level centers in semiconductors (Hyogo, Japan, SLCS 2000; Warsaw, Poland, SLCS 2002);

• 21st, 25th International Conferences on Defects in Semiconductors (Giessen, Germany, ICDS 2001; Санкт-Петербург ICDS 2009) — 16th, 18th, 26th, 27th, 28th International Conferences on Infrared and Millimeter Waves (Lausanne, Switzerland, IRMMW 1991; Colchester, GB, IRMMW 1993; Toulouse, France, IRMMW 2001; San Diego, USA, IRMMW 2002; Otsu, Japan, IRMMW 2003);

• the International Conference on Infrared and Millimeter Waves and Applications (San Diego, USA, 1994) — II International Conference on Terahertz Spectroscopy and Applications (Munich, Germany, 1999) — 7th International Conference on Hot Carriers in Semiconductors (Nara, Japan, HCIS 1991);

• the International Terahertz Workshop (Sandbjerg Estate, Denmark, ITW 2000);

• 13th International Conference on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (Modena, Italy, NCDS 2003) — the NATO Advanced Research Workshop «Towards the first silicon laser» (Trento, Italy, 2002);

• 6th, 7th International Symposiums «Nanostructures: Physics and Technology» (Санкт-Петербург 1998; 1999);

• 10th, 11th IEEE International Confet •ences on Terahertz Electronics (Cambridge, UK, 2002; Sendai, Japan, 2003);

• 6th, 7th, 9th Symposiums of IEEE/LEOS, Benelux Chapter (Brussels, Belgium, 2001; Amsterdam, The Netherlands, 2002; Gent, Belgium, 2004);

• Annual FOM Condensed Mailer Conference (Veldhoven, The Netherlands, 2001);

• 11th, 12th International Conferences on Phonon Scattering in Condensed Matter (Санкт-Петербург, 2004; Paris, France, 2007);

• Joint 29th, 31st, 32nd, 33rd, 34th International Confe rences on Infrared and Millimeter Waves and 12th, 14th, 15th, 16th, 17th International Confer ences on Terahertz Electronics (Karlsruhe, Germany, IRMMW-THz 2004; Shanghai, ChinaIRMMW-THz 2006, Cardiff, Wales, IRMMW-THz 2007; Pasadena, California, USA, IRMMW-THz 2008; Busan, Korea, IRMMW-THz 2009);

• the International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources (Rathen, Germany, 2005);

• 35th Workshop of the International School of Solid State Physics: Physics and Technology of THz Photonics (Erice, Italy, 2005);

• the Rank-Prize Funds Mini-Symposium on Si-based Optoelectronics (Windermere, UK, 2006) — о the E-MRSIUMRSICEMSpring Meetings: 2006, Symposium D «Silicon-basedPhotonics» (Nice, France, 2006), 2008, Symposium С «Frontiers in silicon-based photonics» (Strasbourg, France, 2008);

• III SPIE Conference on Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy (Orlando, USA, 2006);

• the Joint Conference on Laser and Opto-Electronics (CLEO 2006) and the Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS 2006) (Long Beach, USA);

• 12th International Conference on High Pressure Semiconductor Physics (Barcelona, Spain, 2006);

• XII International Conference «Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology» (Erice, Italy, GADEST 2007);

• the Material Research Society (MRS) Fall Meetings (Boston, MA, USA, 2007; 2009);

• 21st IEEE International Semiconductor Laser Conference (Sorrento, Italy, ISLC 2008);

• 5th IEEE International Conference on Group IVPhotonics (Sorrento, Italy, GPF 2008);

• 2nd, 4th International Conferences on Advanced Optoelectronics and Lasers (Ялта, Украша, CAOL 2005; Алушта, Украша, CAOL 2008);

• the International Workshop «THz Radiation: Basic Research and Applications «(Алушта, Украша, TERA 2008);

• the Annual Meeting 2008 of the Scientific European Optical Society (Paris, France, EOSAM 2008);

• 16th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Montpellier, France, EDISON 2009);

• the NATO Advanced Research Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications (Turunc-Marmaris, Turkey, TERA-MIR 2009);

• а также в Институте исследований планет Немецкого аэрокосмического центра в Берлине (Institut fur Planetenforschung, Deutsches Zentrum fur Luftund Raumfahrt, Berlin, Germany) и 1-ом Физическом Институте Штутгартского университета (1. Physikalisches Institut, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany).

Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках проектов 93−02−14 661-а, 96−02−249-нни0-а, 96−02−19 275-а, 99−02−17 958-а, 00−02−040Ю-ННИО-а, 02−02−16 790-а, 03−02−040Ю-ННИО-а, 05−02−16 734-а РФФИ, РФФИ-ННИО, Президентской программы поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-419.2008.2 «Фундаментальные научные проблемы развития кремниевой оптоэлектроники и освоения терагерцового диапазона с использованием полупроводниковых наноструктур».

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах и в 84 трудах и тезисах конференций. Список трудов автора по теме диссертации приведен в Заключении. Используется хронологическая система ссылок на цитируемые работы.

Личный вклад автора.

Все приведенные в диссертации результаты исследований получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Вклад соискателя в постановку задачи и проведение измерений является определяющим в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на основе вынужденного электронного комбинационного рассеяния света в монокристаллическом кремнии, легированном донорами V-й группы периодической системы элементов [A35, А37, А49, А52, А57] в моноизотопном кремнии [А53]- в работах по первому наблюдению стимулированного ТГц излучения на переходах между локализованными состояниями доноров в монокристаллическом кремнии, легированном висмутом [А17, А19, А21], сурьмой [А20, А22], мышьяком [А28], и поликристаллическом кремнии [А45, А48], легированном фосфоромв работах по наблюдению ТГц излучения из кремния, легированного междоузельными центрами 1-й и 11-й группы периодической системы [А46], кремний-германиевых монокристаллических сплавов [А47]- при анализе значений энергий связи четных возбужденных состояний доноров в кремнии [А39], при исследовании температурного режима кремниевых лазеров [А56]- в работах, посвященных определению влияния внешних магнитного [A3 6] и электрического полей [А60] на функциональность кремниевых лазеровв работах по исследованию влияния примесного поглощения на усиление ТГц излучения в j?-Ge:Be и p-Ge:Ga лазерах [Al 6]. Соискателю принадлежит основная роль в проведении экспериментов и в интерпретации полученных результатов по идентификации долгоживущего возбужденного состояния донорных центров в Si: P [А12]- определению порогов, спектров излучения и реализованных лазерных схем в условиях внутрицентрового возбуждения доноров в кремнии [А26]- влиянию одноосной деформации Si: As кристалла [А36] и магнитного поля (Si:Bi, Si: P) [А42] на фунциональность кремниевых лазеровв определении каналов внутрицентровой релаксации в Si: As [А50]. Работы [А25, А38, А40, А59] выполнены соискателем без соавторов. В остальных работах вклад соавторов равноправен. Это касается обнаружения эффектов внутрицентрового стимулированного излучения в /—Gc:Ga лазерах, включая исследование влияния одноосной деформации кристалла на внутрицентровое излучение j5-Ge:Ga лазера [А1-А8]- использования техники внутрирезонаторной спектросокопии на основе ТГц р-Ge:Ga лазера [А9, А10]- обсуждения возможных схем усиления/генерации ТГц излучения и экспериментальных исследований по поиску усиления ТГц излучения в объемном кремнии [Al 1, А14, А18, А23, А24, А27, А29-А34, А41, А43, А55, А58] и низкоразмерных полупроводниках при оптическом [Al5, А47] и полевом возбуждении [А54] примесных центровисследовании усиления ТГц излучения в j?-Ge:Ga лазерах [А13]- экспериментальном измерении времен жизни возбужденных состояний примесных центров [А44, А51].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Общий объем 217 страниц, включая 158 рисунков и 13 таблиц.

Список литературы

автора содержит 134 наименований, цитируемой литературы — 192 наименования.

Содержание работы.

Первая глава содержит обзор литературы по тематике работы с акцентом на спектры локализованных состояний мелких доноров и спектры фононов в кремнии, германии и кремний-германиевых сплавах. Приводятся теоретические представления о доминирующих механизмах внутрицентровой релаксации при низких температурах решетки, кратко обсуждаются вопросы формирования неравновесных распределений носителей заряда в полупроводниках. Даются оценки времен внутрицентровой релаксации в кремнии и германии, полученных из анализа широкого спектра экспериментальных результатов в сравнении с теоретически рассчитанными. Вторая глава посвящена исследованиям терагерцовых кремниевых лазеров на переходах между возбужденными состояниями мелких доноров в кремнии при их оптической накачке излучением лазеров среднего ИК диапазона — СО2 лазеров и частотно-перестраиваемым инфракрасным лазером на свободных электронах, ИК ЛСЭ, FELIX, и низких температурах решетки (<5°К). Разделы 2.1, 2.2 посвящены вопросам изготовления кремниевых кристалов и образцов, и технике эксперимента. В разделе 2.3. обсуждаются механизмы поглощения и внутрицентрового усиления ТГц излучения в кремнии, кратко формулируются теоретические предсказания усиления ТГц излучения с указанием ожидаемых схем генерации и условий наблюдения стимулированного излучения. Следующие разделы 2.4−2.6 концентрируются на достигнутых схемах генерации ТГц излучения, приводятся оптические пороги генерации для схем лазеров при резонансной накачке в различные возбужденные состояния донорных центров, спектры излучения лазеров, динамика лазерного излучения, температурные и концентрационные границы эффекта ТГц стимулированного излучения. Исследованию влияния различных кремниевых матриц: изотопно-обогащенной монокристаллической сSi: P), природной многоизотопнои монокристаллической (c-Si:P) и поликристаллической (mc-Si:P), — легированных фосфором, на стимулированное излучение внутрицентровых лазеров посвящен раздел 2.5. В разделе 2.6 приводятся результаты наблюдении усиления ТГц излучения для образцов кремния, легированного междоузельными мелкими донорными центрами Той и Н-ой группы. В разделе 2.7 исследуется влияние стационарных внешних полей, магнитного и электрического, а также одноосной деформации кристалла кремния на функциональность кремниевых лазеров. Раздел 2.8 посвящен исследованию потерь ТГц излучения в оптически накачиваевых кремниевых активных средах. Раздел 2.9 рассматривает эффекты стимулированного ТГц излучения в кремнии при внутрицентровом возбуждении доноров.

Третья глава посвящена исследованиям стимулированного ТГц излучения на основе эффектов нелинейного преобразования частоты инфракрасного излучения, таких как вынужденное комбинационное рассеяние света (раздел 3.2) на электронных резонансах мелких доноров в кремнии и четырехволновое смешение частот (раздел 3.3), при их оптической накачке мощным лазерным излучением среднего инфракрасного диапазона (ИК ЛСЭ). Приводятся данные об оптических порогах генерации, спектральном анализе, временной динамике лазерного излучения.

Лазеры на примесных переходах в дырочном германии, работающие в скрещенном электрическом и магнитном полях при низких равновесных температурах решетки (< 20°К), рассматриваются в четвертой главе диссертации. Механизмы поглощения и усиления ТГц излучения рассмотрены в разделе 4.1. Раздел 4.2. посвящен генерации ТГц излучения на примесных переходах акцепторов Ш-й группы. Результаты измерений усиления ТГц излучения на межподзонных переходах приведены в разделе 4.3. В разделе 4.4 изложены результаты исследования влияния одноосной деформации кристалла германия на перестройку частоты излучения Ое: Оа лазеров на примесных переходах.

Пятая глава посвящена особенностям внутрицентровой релаксации носителей заряда в кремнии и германии, установленных экспериментальными методами. В разделе 5.1 рассмотрены проблемы экспериментального измерения времен релаксации внутрицентрового оптического возбуждения в электронном кремнии. Раздел 5.2 посвящена анализу результатов спектральных исследований кремниевых лазеров ТГц излучения при их внутрицентровом оптическом возбуждении (БкАз, ЭкР). В разделах 5.3−5.5 анализируются распределения носителей по возбужденным состояниям центра при оптической (для кремния) и электронной (для кремния и германия) накачке.

Шестая глава обсуждает обнаруженное ТГц излучение и его усиление в легированных мелкими донорами кремний-германиевых соединениях: Бм-лОе* монокристаллах (раздел 6.1) и З^Б^-дСе* структурах (раздел 6.2), при их оптическом возбуждении. Специальное внимание (раздел 6.3) уделено технике низкотемпературной внутрирезонаторной спектроскопии низкоразмерных полупроводниковых структур на основе ТГц р-Сс лазера с составной конструкцией резонатора.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, выражаются благодарности, приводится список литературы.

Заключение

.

Проведенные исследования мелких примесных центров в элементарных полупроводниках, сплавах и полупроводниковых структурах показали возможности создания различных схем инвертированных распределений носителей заряда на локализованных состояниях центров при их оптическом и электронном возбуждении и низких температурах решетки. Для некоторых материалов, таких как кремний, легированный водородоподобными донорными центрами, и германий, легированный водородоподобными акцепторными центрами, оптическая накачка приводит к эффектам стимулированного излучения на внутри центровых переходах. Излучение лежит в терагерцовом спектральном диапазоне, нуждающемся в эффективных когерентных источниках излучения. Данный диапазон представляет потенциальный интерес для различных отраслей фундаментального и прикладного знания. Внутрицентровая инверсия при чисто электронной накачке не была обнаружена для объемного кремния и германия, по крайней мере, для однородно легированных материалов и для мелких примесных центров. В то же время, успех в создании инвертированных схем для состояний примесных центров, позволяет надеяться на их использование в более эффективных схемах, таких как каскадные полупроводниковые лазеры. Глубокие примесные центры, однозначно, представляют особый интерес для активных сред инфракрасного диапазона, и являются следующим логическим шагом исследований в этой области. Особенности внутрицентровой релаксации носителей, обнаруженные и проанализированные в данной работе, показывают на необходимость теоретической ревизии признанных и долгое время считавшихся доминирующими схем внутрицетровой релаксации носителей на мелкие центры при низких температурах решетки кристаллов. Особое значение в этих исследованиях могут сыграть экспериментальные исследования времен жизни возбужденных локализованных состояний. Несомненный интерес представляет исследование материалов с высоким уровнем изотопного обогащения кристаллов, в которых спектры и динамика фононных мод меняются качественным образом, что переопределяет в конечном счете важные характеристики состояний примесных центров, такие как, например, времена безызлучательного распада. Надо отметить, что другие элементарные полупроводники были исследованы в рамках цикла данных работ. В некоторых из них было также обнаружено усиление излучения терагерцового диапазона частот [А2001П, А2003Р1, А2004И], что открывает потенциал для новых полупроводниковых источников ТГц стимулированного излучения.

В заключении приведем главные научные результаты диссертационной работы:

1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения терагерцового диапазона (4,5−6,4 ТГц) при вынужденном комбинационном рассеянии (стоксов процесс) инфракрасного излучения на локализованных состояниях доноров У-й группы (БЬ, Р, Ай, В1) в кремнии. Показано, что стоксов сдвиг частоты определяется энергией внутрицентрового 1. у (А1)-1^(Е) перехода между основным 15(А0 и возбужденным состояниями мультиплета. Этот параметр, также как и энергия основного состояния Г^А]), зависит от элемента легирования.

2. Получен и экспериментально исследован эффект стимулированного излучения оптически возбуждаемых доноров У-й группы в кремнии при охлаждении кристалла до температур Т< 15−30 К. Наблюдаемое излучение лежит в терагерцовом диапазоне частот и развивается при фотоионизирующей накачке доноров на внутрицентровых 2р$—" 1^(Тг) переходах в БкЭЬ, на 2р±-—> 1 л (Т2), Ь (Е) переходах в ЭкАя и на 2р±-—> 1л (Е), 1л (Т2:Г8), и (Т2:Г8) переходах в 81: В1 благодаря инверсной заселенности указанных электронных состояний. Определены оптимальный уровень легирования, пороговые значения интенсивности накачивающего излучения и температурный режим данных лазеров.

3. Исследовано ТГц стимулированное излучение донорных центров У-й группы (Р, БЬ, Аб, ВО в кремнии при внутрицентровом оптическом возбуждении их состояний. Обнаружено, что при таком способе создания инверсной заселенности рабочая схема и соответствующая частота стимулированного излучения зависит от накачиваемого донорного возбужденного состояния, т. е. от энергии кванта оптической накачки, и отличается для разных центров.

4. Экспериментально установлено, что для доноров в кремнии при низкотемпературной релаксации на акустических фононах (внутридолинные переходы) состояния 3р±и 3/?о с большей вероятностью релаксируют соответственно в 2р±и 2ро состояния, минуя промежуточные. В случае прямого возбуждения континуума зоны проводимости или более близких к нему связанных состояний доминирующий маршрут релаксации проходит через состояние 2р±-. Такой вывод получен на основе данных о переключении рабочих переходов стимулированного излучения доноров мышьяка при изменении энергии кванта внутрицентровой оптической накачки.

5. Экспериментально показано, что внешнее магнитное поле перестраивает частоту стимулированного излучения в Si: Bi, рабочие переходы 2р±-—"l£(T2), Ь (Е). Дана количественная оценка такой перестройки. Магнитное поле вплоть до 2 Т не меняет частоты стимулированного излучения в Si: P, рабочий переход 2ро —" ^(Тг).

6. Экспериментально показано, что внешнее электрическое поле при значениях ниже примесного пробоя в Si: P уменьшает инверсию населенностей между рабочими уровнями лазера, т. е. на переходе 2/>о—> ЩТг), а в полях выше пробоя донорных центров полностью подавляет стимулированное излучение.

7. Экспериментально определена энергия связи четных возбужденных состояний 1^(Е), 1л'(Т2:Г8), Ь (Т2:Г7), 2s (E) доноров V-й группы в кремнии. Это сделано на основе анализа спектральных характеристик стимулированного излучения при резонансном внутрицентровом возбуждении этих центров с точностью определения энергии до 0,01 мэВ и уточняет существующие данные спектроскопии донорных центров.

8. Установлено, что поглощение на примесно-зонных переходах значительно уменьшает коэффициент усиления в лазерах на межподзонных переходах дырок валентной зоны германия в Фарадеевской конфигурации приложенных скрещенных электрического и магнитного полей. Измерения показали, что максимум коэффициента усиления для германия, легированного галлием, близок к 0,012 см" 1, но может быть увеличен в германии с бериллием до 0,02 см" 1. Различие связано с примесно-зонным поглощением межподзонного (10−13 мэВ) излучения в Ge: Ga, имеющего энергию связи основного состояния 11,32мэВ в отличие от Ge: Be (энергия связи 24,22 мэВ), где данный механизм потерь ТГц излучения отсутствует.

Благодарности.

Полученные результаты во многом обязаны поддержке и участию в представленном цикле экспериментальных и теоретических исследований большой группы ученых, технического и административного персонала, которым выражаются глубокие искренние благодарности. Прежде всего это относится к регулярным соавторам большинства работ — В. Н. Шастину, H.-W. Hubers, Р. X. Жукавину, Е. Е. Орловой, А. В. Муравьеву, Н. А. Бекину, а также М. Н. Rummeli, U. Bottger, J. N. Hovenier, Т. О. Kl aasen, E. Brundermann, К. А. Ковалевскому, В. В. Цыпленкову, В. Я. Алешкину, В. И. Гавриленко, А. А. Антонову, А. Auen, R. Eichholz, и мн. др. Данные исследования были бы невозможны без технологической и технической поддержки, обеспеченной Н. В. Абросимовым, Н. Riemann, К. Irmscher, H. Richter, M. Greiner-Bar, О. А. Кузнецовым, Б. Н. Звонковым. Важная поддержка спектроскопией была предоставлена Б. А. Андреевым, P. M. Haas, M. Dressel, S. A. Lynch, M. Wienold, JI. В. Гавриленко. Успешное проведение экспериментов на ИК ЛСЭ в Нидерландах было обеспечено В. Redlich, A. F. G. Van der Meer, R. van Buuren, D. A. Carder, P. J. Phillips, N. Q. Vinh. Постоянный интерес и поддержку данным исследованиям проявляли 3. Ф. Красильник, С. В. Гапонов, А. А. Андронов, H.-W. Hubers, Н.-Р. Roser.