Сверхбыстрые процессы в плотной, горячей электронно-дырочной плазме GaAs, взаимодействующей с мощным стимулированным излучением

• Автор: Кривоносов, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНЫЙ ПИКОСЕКУНДНЫЙ КОМПЛЕКС
1.1. Структура лазерного комплекса
1.2. Задающий лазер
1.3. Система усиления
1.4. Генерация второй гармоники
1.5. Параметрические генераторы света беїущей волны
1.6. Спектрофотометрическая схема
1.7. Автоматизированная система регистрации и управления
1.8. Методика обработки данных и управления экспериментом
ГЛАВА 2. ФОНОННЫЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ В СПЕКТРЕ ОБРАТИМОГО
ПРОСВЕТЛЕНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СТИМУЛИРОВАННОГО супеРяюминесценцией РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА С УЧАСТИЕМ ПЛАЗМОНОВ
НА ОБРАТИМОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
ГЛАВА 4. НАДПОРОГОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЛАЗМЫ
В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ
ГЛАВА 5. СПЕКТР СТИМУЛИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИМЕЖЗОННОМ ПОГЛОЩЕНИИ ПИКОСЕКУНДНОГО
ИМПУЛЬСА СВЕТА В ТОНКОМ СЛОЕ ваАх
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА ФОТОВОЗБУЖДАЕМОЙ ОБЛАСТИ НА
ПИКОСЕКУНДНУЮ РЕЛАКСАЦИЮ ПРОСВЕТЛЕНИЯ ТОНКОГО
СЛОЯ ЭсАй
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Исследование сверхбыстрых процессов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах является в настоящее время одним из важнейших направлений в физике полупроводников. Это связано в большой степени с возможностью использования таких процессов в устройствах сверхбыстродействующей оптоэлектроники, что уже доказано на примере создания детекторов сверхкоротких оптических импульсов [1], оптоэлектронных ключей [2], полупроводниковых лазеров [3,4] и т.д.. Появление лазеров, генерирующих интенсивные импульсы света пико- и фемтосекундной длительности, стимулировало фундаментальные исследования сверхбыстрых процессов в полупроводниках: стало возможным, например, фотогенерировать электроннодырочную плазму (ЭДП) высокой плотности, не разрушая при этом образец, и проводить прямые измерения сверхбыстрых процессов в плотной ЭДП с высоким разрешением во времени [5]. Благодаря использованию новой экспериментальной техники был достигнут значительный прогресс, например, в изучении процессов энергетической релаксации электронно-дырочной плазмы [6], многофотонного поглощения света [7], в исследованиях элементарных коллективных колебаний в полупроводниках [8], фотолюминесценции горячих носителей заряда [9] и до.
Одним из сформировавшихся направлений исследования сверхбыстрых процессов в полупроводниках является изучение динамики неравновесной электронно-дырочной плазмы, фотогенерированной мощным сверхкоротким импульсом света. Среди наиболее важных работ, выполненных в этой области к моменту начала диссертационных исследований, отметим следующие [10-25] (их краткий обзор приведен в следующем параграфе). В работах [10,11] проведен теоретический анализ эффекта насыщения поглощения света в полупроводниках. В работах [12,13] проводились экспериментальные исследования поглощения пикосекундных импульсов света в полупроводниках. Резкое увеличение прозрачности тонкого слоя полупроводника (для света той же частоты, что и возбуждающий), наблюдаемое с ростом энергии возбуждающего света, принималось в качестве доказательства установления состояния насыщения. В теоретических работах [14,15] была рассмотрена эволюция во времени энергетического распределения неравновесных носителей заряда в условиях насыщения поглощения света. Были проанализированы этапы, которые проходит эволюция энергетического распределения ЭДП до установления состояния насыщения: формирование максвелловского распределения носителей с отличающимися температурами электронов и дырок; выравнивание температур электронов и дырок; формирование квазиравновесного

фермиевского распределения носителей заряда. В работах [16-23] проводились исследования динамики неравновесной электронно-дырочной плазмы прямозонного полупроводника, фотогенерированной мощным пикосекундным импульсом света с энергией фотона ксоех, ненамного большей ширины запрещенной зоны Ев. Было обнаружено, что существенное влияние на состояние ЭДП оказывают поглощение света свободными носителями заряда и интенсивное краевое рекомбинационное излучение. Это излучение возникало аномально быстро (за времена пикосекундного диапазона) во время облучения полупроводника пикосекундным импульсом света и было интерпретировано в работах [18,24,25] как супер люминесценция. Было обнаружено, что благодаря этому излучению по окончании действия возбуждающего импульса устанавливается не состояние насыщения поглощения света, а "пороговое" состояние ЭДП с максимальной концентрацией неравновесных носителей, при которой еще отсутствует инверсия заселенностей. Благодаря суперлюминесценции приблизительно "пороговое" состояние ЭДП поддерживается и во время фотовозбуждения. При этом происходит обратимый во времени (по отношению к изменению интенсивности возбуждающего импульса) разогрев ЭДП и обратимое изменение концентрации ЭДП. Как обнаружено в [16-22], при изменении температуры ЭДП сохранение порогового состояния осуществляется благодаря соответствующему изменению концентрации ЭДП, контролируемой рекомбинационной суперлюминесценцией. В этой ситуации, согласно [17,19-23], изменения в состоянии ЭД П определяются такими (пренебрегавшимися ранее, как слабо влияющими) процессами разогрева, как внутризонное поглощение возбуждающего света и разогрев, связанный с интенсивной рекомбинационной суперлюминесценцией.
Результаты, полученные в работах [16-25], стимулировали наши дальнейшие исследования, целью которых стало изучение сверхбыстрых процессов в плотной (с концентрацией п > 1018 см"3), горячей ЭДП арсенвда галлия, когда исследуемый образец оказывается под одновременным воздействием мощного лазерного излучения и интенсивного супер люминесцентного излучения.
В ходе работы было обнаружено: 1) новый тип фононных осцилляций в энергетическом распределении плотной электронно-дырочной плазмы ваАя, фотогенерированной мощным пикосекундным импульсом света [26*]; 2) влияние стимулируемого суперлюминесценцией рамановского рассеяния света с участием плазмонов на температуру, концентрацию ЭДП и само суперлюминесцентное излучение [27*]; 3) установление "надпорогового” состояния фотогенерированной ЭДП, при котором спектральное положение границы между усилением и поглощением лишь ненамного превышает а
lg(T1 /Т°)

Td ,пс
Рис. 2.3. Изменение прозрачности GaAs со временем задержки rd при hcop=1,528 эВ, Wex = 1,0 o.e.: А - Ркоех = 1,439 эВ; - h(oa = 1,558 эВ. Сплошной линией показана кросс-корреляционная функция возбуждающего и зондирующего импульсов.