Стимулированное излучение при оптическом возбуждении доноров фосфора в кремнии
Диссертация
Поиск новых принципов для разработки источников когерентного излучения в диапазоне частот 1−10 ТГц вызывает большой интерес уже довольно долгое время. Это обусловлено несколькими причинами. В терагерцовом диапазоне частот сосредоточены наблюдаемые энергии вращательных переходов органических сред и молекул газов, фононные спектры в твердых телах, переходы между состояниями локализованных примесей… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Теоретические представления о механизме инверсной населенности состояний мелких доноров в кремнии и соответствующих эффектов усиления
- 1. 1. Мелкие доноры в кремнии
- 1. 2. Время жизни электрона в зоне проводимости и возбужденных состояниях донора фосфора в кремнии
- 1. 2. 1. Рассеяние свободных носителей на акустических фононах
- 1. 2. 2. Переходы между уровнями дискретного спектра со спонтанным излучением акустических фононов. Водородоподобный центр
- 1. 2. 3. Влияние анизотропии состояний донорного центра на вероятности перехода с излучением акустических фононов
- 1. 2. 4. Влияние междолинных переходов на вероятность акустической релаксации между локализованными состояниями
- 1. 2. 5. Время жизни состояния 2ро
- 1. 2. 6. Время жизни отщепленных состояний 1б (Е) и ^(Тг)
- 1. 2. 7. Каскадный захват носителей на кулоновский центр
- 1. 3. Механизм формирования инверсной населенности состояний донора фосфора в кремнии при оптической накачке
- Глава 2. Наблюдение спонтанного и стимулированного излучения при накачке излучением СО2 лазера
- 2. 1. Экспериментальная методика для наблюдения фотолюминисценции из кремния легированного мелкими донорами
- 2. 2. Спонтанное излучение из БкР при оптической накачке
- 2. 3. Наблюдение эффекта стимулированного излучения
- 2. 3. 1. Влияние уровня легирования
- 2. 3. 2. Временная динамика стимулированного излучения
- 2. 3. 3. Спектр стимулированного излучения кремния, легированного фосфором, при фотоионизации активных центров
- 2. 3. 4. Влияние температуры на эффект стимулированного излучения
- 3. 1. Населенность О" центров и поглощение ТГц излучения
- 3. 2. Методика эксперимента и характеристики образцов
- 3. 3. Влияние компенсации на зависимость спонтанного излучения от интенсивности накачки и усиление ТГц излучения
- 3. 4. Влияние компенсации на поглощение фонового излучения
- 3. 5. Зависимость пороговой интенсивности накачки от компенсации
- 4. 1. Специфика внутрицентровой накачки
- 4. 2. Экспериментальная установка для наблюдения стимулированного излучения при внутрицентровой накачке
- 4. 2. 1. Параметры лазера на свободных электронах, используемого для внутрицентровой накачки
- 4. 2. 2. Параметры образцов
- 4. 3. 1. Зависимость эффекта стимулированного излучения от длины волны возбуждения
- 4. 3. 2. Спектр стимулированного излучения БпР при внутрицентровой накачке
- 5. 1. Измерение коэффициента усиления по времени нарастания при внутрицентровом возбуждении
- 5. 2. Измерение коэффициента усиления по схеме «лазер — усилитель»
- 5. 2. 1. Методика измерения
- 5. 2. 2. Коэффициент усиления при накачке излучением СОг лазера
- 5. 2. 3. Коэффициент усиления при виутрицентровом возбуждении
- 6. 1. Особенности различных донорных центров
- 6. 2. Спектры стимулированного излучения доноров при их фотоионизации
- 6. 3. Временные характеристики стимулированного излучения доноров
- 6. 4. Зависимость стимулированного излучения от температуры
- 6. 5. Особенности спектра стимулированного излучения доноров пятой группы при внутрицентровой накачке в линиях
- 6. 6. Перспективы развития источников излучения на примесных переходах
Список литературы
- 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 SpringerVerlag- 1998. V. 74-P. 51−109.
- Th. de Temple. Pulsed Optically Pumped Far Infrared Lasers in Infrared and Millimeter Waves. // Edited by K.J. Button. N.Y. 1979. V. l — P. 129.
- T. Tanabea. Frequency-tunable high-power terahertz wave generation from GaP. / T. Tanabea, K. Suto, J. Nishizawa, T. Kimura, K. Saito. // Journal of Applied Physics 2003. V. 93(8)-P. 4610−4615.
- D. Grischkowsky. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors. / D. Grischkowsky, S. Keiding, M. van Exter, and C. Fattinger. // Journal of Optical Society of America B. 1990. V.7(10) — P. 2006−2015.
- E.R. Brown. Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes. / E. R. Brown, J. R. Soderstrom, C. D. Parker, L. J. Mahoney, К. M. Molvar, Т. C. McGill. // Applied Physics Letters 1989. V. 55(17) — P. 1777−1779.
- M.C. Мурашов. О временных задержках генерации излучения в лазерных диодах на основе халькогенидов свинца. // М. С. Мурашов, А. П. Шотов. // Квантовая электроника. 1995. Т.22, № 12. — С. 1255−1256.
- Андронов А.А. Об усилении далекого инфракрасного излучения в германии при инверсии населенностей «горячих» дырок. / Андронов А. А. Козлов В.А., Мазов JI.C., Шастин В. Н. // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т.30(9) — С. 585−589.
- V.I. Gavrilenko. Negative mass cyclotron resonance maser / V.I. Gavrilenko and Z.F. Krasil’nik. // Optical and Quantum Electronics 1991. V.23. — S323-S329.
- Ivanov, Y.L. Generation of Cyclotron Radiation by Light Holes in Germanium. / Ivanov, Y.L. // Optical and Quantum Electronics 1991. V.23. — S253-S265.
- 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. V.23. — S307-S311.
- Андронов А.А. Стимулированное излучение в длинноволновом ИК диапазоне на горячих дырках Ge в скрещенных электрическом и магнитном полях. / Андронов А. А. Зверев И.В., Козлов В. А., Ноздрин Ю. Н., Павлов С. А., Шастин В. Н. // ЖЭТФ 1984. Т.40(2) — С.69−71.
- L.E. Vorobjev. Generation of far-infrared radiation by hot holes in germanium and silicon in E-LH fields. / L.E. Vorobjev, S.N. Danilov, V.I. Stafeev. // Optical and Quantum Electronics- 1991. V.23.-S221-S229.
- A.B. Муравьев. Перестраиваемый узкополосый лазер на межподзонных переходах дырок германия. / А. В. Муравьев, С. Г. Павлов, В. Н. Шастин. // Квантовая электроника.- 1993. Т. 20(2).-С. 142−148.
- И. В. Алтухов. 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. 136−138.
- Yu. P. Gousev. Widely tunable continuous-wave THz laser. / Yu. P., Gousev. I. V., Altukhov, K. A. Korolev, V. P. Sinis, and M. S. Kagan. // Applied Physics Letters 1999. V. 75. — P.757−759.
- Kohler, R. Terahertz semiconductor-heterostructure laser. / Kohler, R., Tredicucci, A., Beltram, F., Beere, H., Linfield, E., Davies, G., Ritchie, D., lotti, R.C., and Rossi, F. // Nature. -2002. V.417.-P. 156−159.
- Rochat, M. Low-threshold terahertz quantum-cascade lasers. / Rochat, M., Ajili, L., Willenberg, H., Faist, J., Beere, H., Davies, G., Linfield, E., and Ritchie, D. // Applied Physics Letters 2002. V. 81.-P. 1381−1383.
- Dargys A. Handbook on Physical Properties of Ge, Si, GaAs and InP / DargysA. and J. Kundrotas. // Science and Encyclopedia Publishers Vilnius — 1994. — 187 p.
- M. Ikezawa. Far-infrared absorption due to the two-phonon difference process in Si. / M. Ikezawa and M. Ishigame. // Journal of Physical Society of Japan. 1981. V. 50. — P. 37 343 738.
- 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.
- M. S. Kagan. 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 В 2003. V.235(l) — P. 135−138.
- Shastin V.N. Far-Infrared Active Media Based on Inraband and Shallow Impurity States Transitions in Si, / Shastin V.N. // 21th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Berlin. Conference proceeding, 1996. — CT2.
- Orlova E.E. Inverse Population of Bismuth Donor Excited States and FIR Amplification in Silicon. / Orlova E.E., Shastin V.N. // 21th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Berlin. Conference proceeding, 1996 — CTh4.
- Басов Н.Г. Генерация, усиление и индикация инфракрасного и оптического излучений с помощью квантовых систем. / Басов Н. Г., Крохин О. Н., Попов Ю. М. // УФН 1960. т. LXXII, вып. 2. — С. 162−209.
- Я.Е. Покровский. Медленная релаксация возбужденных состояний акцепторов в кремнии. / Я. Е. Покровский, О. И. Смирнова. // Письма в ЖЭТФ 1991. Т.54(2) — С. 100 103.
- С. Smith. Piezorezistance Effect in Germanium and Silicon. / C. Smith. // Physical Review 1954. V. 94 — P. 42−49.
- R.N. Dexter. Effective Masses of Electrons in Silicon. / R.N. Dexter, Benjamin Lax, A.F. Kip and G. Dresselhaus. // Physical Review 1954. V. 96 — P.222−223.
- G.L. Pearson. Electrical Properties of Pure Silicon and Silicon Alloys Containing Boron and Phosphorus. / G.L. Pearson, J. Bardeen. // Physical Review 1949. V.75 — P.865−883.
- W .Kohn. Theory of Donor States in Silicon. / W .Kohn and J.M. Lattinger. // Physical Review 1955. V.98. — P. 915−922.
- Г. JI. Бир. Симметрия и деформационные дефекты в полупроводниках. // Г. JI. Бир, Г. Е. Пикус. // М., Наука. 1972 — 584 с.
- R.A. Faulkner. Higher donor states for prolate-spheroid conduction bands: a reevaluation of silicon and germanium. / R.A. Faulkner. // Physical Review 1969. V. 184 — P. 713−721.
- Y.-C. Chang. Model Hamiltonian of donors in indirect-gap materials. / Y.-C. Chang, T. C. McGill and D. L. Smith. // Physical Review В 1981. V. 23 — P. 4169−4182.
- Socrates T. Pantelides. The electronic structure of impurities and other point defects in semiconductors. // Socrates T. Pantelides. // Review on Modern Physics 1978. V. 50(4) -P.797−858.
- Бейнихес И.Л. Доноры в многодолинных полупроводниках в приближении центральной ячейки нулевого радиуса. / Бейнихес И. Л., Коган Ш. М. // ЖЭТФ 1987. Т. 93 — С.285−301.
- Clauws P. Oscillator strengths of shallow impurity spectra in germanium and silicon. / Clauws P., Broeckx J., Rotsaert E., Vennik J. // Physical Review В -1998. V. 38 P. 1 237 712 382.
- Ramdas, A.K. Spectroscopy of the solid-state analogues of the hydrogen atom: donors and acceptors in semiconductors. / Ramdas, A.K. and Rodriguez, S. // Reports on Progress in Physics-1981. V. 44-P. 1297−1387.
- Conyers Herring. Transport and Deformation-Potential Theory for Many-Valley Semiconductors with Anisotropic Scattering. / Conyers Herring and Erich Vogt. // Physical Review 1956. V.101 — P. 944−961.
- Leonard Kleinman. Deformation Potentials in Silicon. II. Hydrostatic Strain and the Electron-Phonon Interaction. / Leonard Kleinman. // Physical Review 1963. V. 130(6) — P. 2283−2289.
- B.H. Абакумов. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках. / В. Н. Абакумов, В. И. Перель и И. Н. Яссиевич. // изд-во: Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН, С.-Петербург. 1999 — 376 с.
- G. Ascarelly. Recombination of Electrons and Donors in n-type Germanium. / G. Ascarelly and S. Rodriguez. // Physical Review 1961. V. 124(5) -P. 1321−1328.
- M. Кузнецов. Внутрицентровая релаксация донорных центров кремния на акустических фононах./ М. Кузнецов. // Курсовая работа, ВШОПФ ННГУ. 2004 — 11 с.
- М. Asche. Electron-phonon interaction in n-Si. / M. Asche and O.G. Sarbei. // Physica Status Solidi В 1981. V. 103 — P. 11−50.
- V. J. Tekippe. Determination of the Deformation-Potential Constant of the Conduction Band of Silicon from the Piezospectroscopy of Donors. / V. J. Tekippe H. R. Chandrasekhar, P. Fisher, and A. K. Ramdas. // Physical Review В 1972. V. 6 — P. 2348−2356.
- D.K. Ferry. First-order optical and intervalley scattering in silicon. / D.K. Ferry. // Physical Review В 1976. V. 14. — P. 1605−1609.
- A. Onton. Evidence of intervalley scattering of electrons in the extrinsic photoconductivity of n-type silicon. / A. Onton. // Physical Review Letters 1969. V. 22. — P. 288−290.
- Theodore G. Castner. Raman Spin-Lattice Relaxation of Shallow Donors in Silicon Theodore G. Castner. // Physical Review 1963. V. 130. P. 58−75.
- Publishing ISBN:-7503−0924−5, Conference Proceeding. V. 3. — P. 123.
- Andreev B.A. Oscillator strengths and linewidths of shallow impurity spectra in Si and Ge. / Andreev B.A., Kozlov E.B., and T.M. Lifshitz. // Material Science Forum. 1995. V.196−201, -P. 121.
- C. Jagannath. Linewidths of the electronic excitation spectra of donors in silicon. / Z C. Jagannath. W. Grabovski, and A.K. Ramdas. // Physical Review B- 1981. V. 23. P. 20 822 098.
- Karaiskaj D. Impurity absorption spectroscopy in Si-28: The importance of inhomogeneous isotope broadening. / Karaiskaj D., Stotz J.A.H., Meyer Т., Thewalt M.L.W., Cardona M. // Physical Review Letters 2003. V. 90. — P. 186 402−4.
- J.N. Heyman. Far-infrared pump-probe measurements of the intersubband lifetime in an * AlGaAs-GaAs coupled-quantum well. / J.N. Heyman K. Unterrainer, K. Craig, J. Williams,
- M.S. Sherwin, K. Campman, P.F. Hopkins, A.C. Gossard, B.N. Murdin, C.J.G.M. Langerak. // 1 Applied Physics Letters 1996. V. 68. -P. 3019−3021.
- K.K. Geerinck. Far infrared saturation spectroscopy in semiconductors. Chapter 5: Saturation of the cyclotron resonance transition in a quantum well. / K.K. Geerinck. // PhD Thesis. Technische Universiteit Delft, September 1995.
- Ya. E. Pokrovskij. Longliving excited states of impurities in Si. / Ya. E. Pokrovskij, O.I. Smirnova, N.A. Khvalkovskii. // Solid State Communications. -1995. V. 93. -P. 405−408.
- A.Dargys. Excited state lifetime of phosphorus atoms in silicon single crystals. / A. Dargys, S. Zurauskas, N.Zurauskiene. // Liet. Fiz. Zurn. 1994. V. 34(6). — P.478−483.
- Griffin, A. Thermal Conductivity of Solids IV: Resonance Fluorescence Scattering of Phonons by Donor Electrons in Germanium. / Griffin, A. and Carruthers, P. // Physical Review 1963. V. 131.-P. 1976−1995.
- M. Lax. Cascade capture of electrons in solids. / M. Lax. // Physical Review 1960. V. 119. — P 1502−1523.
- Mayur, A. J. Redetermination of the valley-orbit (chemical) splitting of the Is ground state of group-V donors in silicon. / Mayur, A. J. Dean Sciacca, M., Ramdas, A. K., and Rodriguez. S. // Physical Review В 1993. V. 48. — P. 10 893−10 898.
- О. Звелто. Принципы лазеров. / О. Звелто//пер. с англ., М., Мир 1984. — 558 с.
- David M. Larsen. Concentration broadening of absorption lines from shallow donors in multivalley bulk semiconductors. / David M. Larsen // Physical Review B. 2003. V. 67. — P. 165 204−9.
- M. Lax. Broadening of impurity levels in silicon. / M. Lax, E. Burstein. // Physical Review 1955. V. 100. -P. 592−602.
- P. Briiesch. Phonons: Theory and Experiment II. / P. Briiesch. // Springer-Verlag 1974. Vol. 2, — 278 p.
- К. Зеегер. Физика полупроводников. / К. Зеегер. // пер. с англ., М., Мир. 1977 -615 с.
- Y.B. Levinson. Nonequilibrium phonons in nonmetallic crystals / Y.B. Levinson. // Modern Problems in Condensed Matter Science, edited by W. Eisenmerger and A.A. Kaplyanskii, published by North Holland, Amsterdam 1986. V. 16 — P. 91−120.
- Yia-Chung Chang Theory of D" states in Ge and Si. / Yia-Chung Chang and T.C. McGill. // Physical Review B. 1982. V. 25. — P. 3927−3944.
- JI.A. Ворожцова Рекомбинация свободных носителей в легированном кремнии с малой компенсацией. / JI.A. Ворожцова, Е. М. Гершензон, Ю. А. Гуревич, Ф. М. Исмагилова, А. П. Мельников. // ЖЭТФ. 1988. Т.94. -С.350−362.
- Г. Бете. «Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами». / Г. Бете, Э.Солпитер. // пер. с англ., М."Физматгиз" I960 — 562 с.
- N. Sclar. Properties of doped silicon and germanium infrared detectors. / N. Sclar // Progress in Quantum Electronics 1984, V.9. — P. 149−257.
- Gres’kov, I.M. Influence of growth defects on the electrical properties of radiation-doped silicon. / Gres’kov, I.M., Smirnov, B.V., Sobolev, S.P., Stuk, A.A., and Kharchenko, V.A. // Soviet Physics Semiconductors — 1978. V. 12.-P. 1118−1120.
- Li Yi Lin. Design of a short-pulse, far-infrared free electron laser with a highly overmoded waveguide. / Li Yi Lin., A.F.G. van der Meer. // Review of Scientific Instruments 1997. V. 68. — P. 4342−4347.
- Официальный Интернет-сайт FELIX: www.rijnh.nl.n3/nl/fl234.htm.
- S. G. Pavlov. Terahertz optically pumped Si: Sb laser. / S. G. Pavlov H.-W. Hiibers, H. Riemann, R. Kh. Zhukavin, E. E. Orlova, and V. N. Shastin. // Journal of Applied Physics. -2002. V. 92 P. 5632−5634
- H.-W. Hiibers. Stimulated terahertz emission from arsenic donors in silicon. / H.-W. Hiibers. S.G. Pavlov, R.Kh. Zhukavin, H. Riemann, N.V. Abrosimov, and V.N. Shastin. // Applied Physics Letters 2004. V. 84. — P. 3600−3602.
- Официальный Интернет-сайт фирмы LOT-Oriel, каталог оптических свойств материалов: http://www.lot-oriel.com /site/sitedown/ttopticalmaterialsdede01 .pdf.