Лазер на межподзонных переходах горячих дырок и его применение для исследования полупроводников и наноструктур

• Автор: Данилов, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 133 с.

Введение
Глава 1. Физические принципы работы лазеров на горячих дырках.
Механизм инверсии населенности носителей
Введение (обзор литературы)
1.1. Наблюдение внутри- и межподзонной инверсии населенностей
носителей заряда по энергиям
1.2. Механизм инверсии населенности дырок
1.3. Мощность излучения
1.4. Коэффициент межзонного усиления света
1.4.1. Расчет функции распределения носителей по энергиям с помощью решения уравнений баланса импульса, мощности и числа частиц
1.4.2. Поглощение света при внутри- и межподзонных переходах горячих дырок
1.5. Расчет коэффициента поглощения поляризованного света горячими дырками
1.6. Лазер на циклотронном резонансе тяжелых дырок
Глава 2. Исследование генерации дальнего ИК излучения в
конфигурациях Фогта и Фарадея
Введение (обзор литературы)
2.1. Определение предельной рабочей температуры полупроводникового лазера дальнего ИК диапазона в конфигурациях приложенных полей
Фогта и Фарадея
2.2. Экспериментальное исследование коэффициента усидент г г.
лазерной среды
2.3. Длинноволновое стимулированное излучение горячими дырками в кремнии
2.4. Влияние одноосного сжатия на генерацию излучения в германии
2.5. Спектры излучения полупроводникового лазера дальнего ИК-диапазона
в конфигурациях приложенных полей Фогта и Фарадея
2.6. Получение узкополосной перестраиваемой по спектру
лазерной генерации
Глава 3. Применение лазера на межподзонных переходах горячих
дырок для исследования полупроводников и квантовых ям
Введение (обзор литературы)
3.1. Использование лазера на межподзонных переходах горячих дырок
для исследования циклотронного резонанса в пЛпБЬ
3.2. Внутриподзонное поглощение излучения дальнего ИК диапазона в
квантовых ямах гетероструктур ОаАв/АЮаАз
Заключение
Литература автора
Литература
Введение.
Диссертационная работа посвящена исследованию физических механизмов появления инверсии населенности носителей заряда и характеристик полупроводниковых лазеров нового типа - лазеров дальнего ИК и субмиллиметрового диапазонов, основанных на межпод-зонных переходах горячих дырок в алмазоподобных полупроводниках (таких, как Се и 81) в скрещенных электрическом и магнитном полях и использованию таких лазеров для исследования полупроводников и, в частности, размерно-квантованных гетер о структур на основе твердых растворов СаАв/АЮаАз.
Актуальность темы. Широкое применение излучения дальнего ИК (ДИК) и субмиллиметрового диапазонов в научных и прикладных исследованиях сдерживалось отсутствием простых и недорогих источников на эту область спектра. Используемые в отдельных исследованиях газовые лазеры с оптической накачкой на ДИК область - довольно дорогостоящие и громоздкие устройства. Создание же инжекционных полупроводниковых лазеров на дальний ИК диапазон (А. >30 мкм) наталкивается на трудности принципиального характера. Нужны были новые идеи. В 1979 году А.А.Андроновым и др. (ИПФ АН СССР) [1] была предложена идея создания инверсии населенности носителей заряда и усиления излучения дальнего ИК диапазона
При низких температурах решетки в чистых образцах германия в достаточно сильных скрещенных электрическом Е и магнитном В полях инверсия населенности (ИН) между подзонами тяжелых (ТД) и легких (ЛД) дырок достигается благодаря различной динамике их движения в импульсном пространстве. Усиление и генерация излучения может быть осуществлена при прямых межподзонных переходах из зоны легких в зону тяжелых дырок. Сразу же после появления работы [1] в нескольких научных группах в России и за рубежом начались поиски инверсии населенности в р-ве. Было исследовано спонтанное излучение горячих дырок в Се в ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР [2], в ИПФ АН СССР и ФИАН СССР [3], за рубежом [4]. На основании анализа спонтанного излучения был сделан вывод об инверсии населенности горячих дырок. В [5] по данным межподзонного поглощения света горячими дырками была также обнаружена ИН и найдена ее численная величина. Вскоре был создан и лазер на горячих дырках. Стимулированное излучение дальнего ИК диапазона было обнаружено в ЛПИ (ныне СПбГТУ) [6], затем, при других экспериментальных условиях, в ИПФ АН СССР [7]. Там же, а в последствие, и за рубежом, изучались и основные характеристики
лазера. Параллельно исследования стимулированного излучения проводилось и в ЛПИ.

Диапазон длин волн генерации лазера на межподзонных переходах дырок с неселективным резонатором составляет примерно А. »70...210 мкм, ширина линии излучения ЛА примерно 20 мкм, мощность - до нескольких Ватт в импульсе. Перестройку этой широкой полосы по спектру можно осуществлять изменением величины приложенных Е и В полей.
Подавляющая часть исследований свойств такого лазера была выполнена на относительно чистых образцах р-Се с Ыр < 2-1014 см'3 и в конфигурации полей Фарадея, когда волновой вектор света параллелен направлению магнитного поля, и при температуре жидкого гелия. Однако ряд экспериментов показывает, что конфигурация полей Фогта, когда волновой вектор света перпендикулярен направлению магнитного поля, предпочтительнее. Поэтому одной из задач настоящей работы являлось исследование стимулированного излучения и характеристик лазера в конфигурации полей Фогта по сравнению с конфигурацией Фарадея. Кроме того, при достаточно высоком уровне легирования (Ыр > 2-1014 см'3) условия баллистического движения дырок в пассивной области энергий могут не выполняться, механизм появления ИН и характеристики лазера могут измениться. Поэтому необходимо было проведение исследований ИН и характеристик стимулированного излучения в кристаллах с уровнем легирования Ир > 2-1014 см'3.
Возможности практического использования лазеров на горячих дырках были ограничены из-за широкой полосы излучения. Поэтому осуществление первых шагов по разработке основных принципов создания плавно перестраиваемого во всем диапазоне генерации А»70...210мкм узкополосного лазера (лазерного спектрометра) стало после обнаружения стимулированного излучения одной из актуальных задач.
Создание относительно простых в изготовлении полупроводниковых лазеров дальнего ИК диапазона может открыть возможности их использования в научных исследованиях. Особенно удобными они оказываются в тех случаях, когда опыты проводятся при криогенных температурах. Появляется возможность изучения параметров полупроводников и полупроводниковых наноструктур, исследования новых физических явлений.
Следует отметить, что параллельно с исследованием лазеров дальнего ИК диапазона на межподзонных переходах горячих дырок в германии в скрещенных электрическом и магнитном полях развивались и другие исследования оптических явлений при разогреве дырок в германии. Они увенчались замечательными достижениями. Так в ИПФ АН СССР был создан НЕМАО, в ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР - было обнаружено стимулированное излучение в р-ве в скрещенных полях при переходах горячих легких дырок между уровнями Лан-
,/ч МрП3(2іі?'2{квТ0) /(е) = —
3/2 є(к)
(1.4.9)
Из (1.4.8) видно, что величина коэффициента поглощения на прямых переходах щ зависит от угла между волновым вектором дырки к и вектором поляризации света ега, т.е. поглощение (или усиление) света различных поляризаций будет разным. Этот вопрос подробнее обсуждается ниже, в п. 1.5. Здесь же ограничимся рассмотрением поглощения неполяри-зованного света, что позволит усреднить матричный элемент перехода по всем направлениям волнового вектора дырки к.
Волновой вектор может быть найден из закона сохранения энергии е,(к) - еу-(к) = Им.
Таким образом, коэффициент поглощения (усиления) неполяризованного света для межподзонных переходов 1<->2 в валентной зоне дырочного германия можно записать в виде [52]:
го по направлениям волнового вектора к. Вероятность перехода мц2(к) определяется видом волновых функций зон 1 и 2, а приведенная плотность состояний
- зонной структурой. Для энергии квантов, и, следовательно, к, соответствующих дальнему ИК-диапазону, зависимости ІЕДк) и р(к) таковы [52], что выражение (1.4.2) можно переписать в более простом виде:
где В'1 - некоторый коэффициент. Он находился в работах [34,40] и равен
(1.4.9)
(1.4.10)
(1.4.11)
В" = 1.24-10'17 эВ-см2. Если ДеО >/(е2), коэффициент поглощения а[2 становится отрицательным и возможно усиление света.