Эффект фотонной лавины в кристаллах и наноструктурах: каскадная ап-конверсия, оптическое переключение и пробой
Диссертация
В работе, модель, основанная на уравнениях Фоккера-Планка, сравнивается с моделью «удвоенного потока». Модель «удвоенного потока» основана на допущении, что каждый электрон зоны проводимости с энергией равной ширине запрещенной зоны за счет ударной ионизации передает энергию другому электрону, в то время1 как сам падает на дно зоны проводимости. Таким образом, поток у дна зоны проводимости есть… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ЭФФЕКТ ФОТОННОЙ ЛАВИНЫ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ
- 1. 1. Введение
- 1. 2. Фотонная лавина в легированных квантовых ямах: ап-конверсия и эффект переключения
- 1. 2. 1. Модель эффекта фотонной лавины в легированной квантовой яме
- 1. 2. 2. Вероятности переходов оже-типа 31 —>22 и скорости межподзонной релаксации электронов в квантовой яме
- 1. 2. 3. Уравнения баланса для заселенностей электронов в подзонах размерного квантования
- 1. 2. 4. Результаты численного решения уравнений баланса и их обсуждение
- 1. 3. каскадн0-лавинная ап-конверсия и генерация неравновесных электрон-дырочных пар в гетероструктурах типа II с глубокими квантовыми ямами
- 1. 3. 1. Модель каскадно-лавинной ап-конверсии в квантовой яме типа II
- 1. 3. 2. Фотопереходы между состояниями электронов в квантовой яме и состояниями непрерывного спектра в валентной зоне
- 1. 3. 3. Уравнения баланса для заселенностей
- 1. 3. 4. Результаты численного решения уравнений баланса и их обсуждение
- 1. 4. Каскадно-лавинная ап-конверсия и генерация неравновесных электрон дырочных пар в гетероструктурах типа i с глубокими квантовыми ямами
- 1. 4. 1. Модель каскадно-лавинной ап-конверсии в квантовой яме типа I
- 1. 4. 2. Вероятность двухфотонного переходаpi—>l
- 1. 4. 3. Уравнения баланса для заселенностей
- 1. 4. 4. Результаты численного решения уравнений баланса и их обсуждение
- 1. 5. выводы к главе
- ГЛАВА 2. ИОНИЗАЦИЯ ГЛУБОКИХ КВАНТОВЫХ ЯМ: ЭФФЕКТ ОПТИЧЕСКОГО ТРАМПЛИНА
- 2. 1. Введение
- 2. 2. Модель оптического трамплина в квантовой яме
- 2. 3. Вероятность переходов 22 + йсо —*
- 2. 4. Уравнения баланса заселенностей электронов
- 2. 5. Результаты численного решения уравнений баланса и их обсуждение
- 2. 6. Выводы к главе 2
- ГЛАВА 3. ЭФФЕКТ МНОГОФОТОННОЙ ЛАВИНЫ В ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ДИЭЛЕКТРИКАХ
- 3. 1. Введение
- 3. 2. Модель многофотонной лавины
- 3. 3. Уравнения баланса для заселённостей зон
- 3. 4. Результаты численного решения уравнений баланса и их обсуждение
- 3. 5. Выводы к главе 3
Список литературы
- Joubert M.-F. Photon avalanche upcon version in rare earth laser materials // Opt. Mat 1999. V. 11. P. 181.
- Guy S., Joubert M.-F., Jacquier В., Bouazaouni M. Excited-state absorption in BaY2F8: Nd3+ // Phys. Rev. В 1993. V, 47. P. 11 001.
- Auzel F. Compteur quantique par transfert d’energie entre deux ions de terres reres dans un tungstate mixte et dans un verre // C. R. Acad. Sci. Paris B. 1966. V. 262. P. 1016.
- Altarelli M., Dexter D.L. Simultaneous energy transfer and optical apsorp-tion in condensed matter // Phys. Rev. B. 1973. V. 7. P. 5335.
- Перлин Е.Ю. Передача возбуждения между примесными молекулами, стимулированная интенсивным светом // Физика молекул. «Наукова думка», Киев. 1977. Вып. 5. С. 25.
- Auzel F. Compteur quantique par transfert d’energie entre de Yb3+ a Tm3+ dans un tungstate mixte et dans verre germinate // C. R. Acad. Sci. Paris B. 1966. V. 263, P. 819.
- Ovsyankin V. V., Feofilov P.P. Cooperative sensitization of luminescence in crystals activated with rare earth ions // Sov. Phys. JETP Lett. 1966. V. 4. P. 317.
- Auzel F. Materials and devices using double-pumped-phosphors with energy transfer//Proceedings of the IEEE. 1973. V. 61. № 6. P. 758.
- ChivianJ.S., Case W.E., EdenD.D. The photon avalanche: a new phenomeл inon in Pr -based infrared quantum counters // Appl. Phys. Lett. 1979. V. 35. № 2. P. 124.
- KuenyA.W., Case W.E., KochM.E. Nonlinear-optical.absorption through photon avalanche // JOSA B. 1989. V. 6, № 5. P. 639.
- Guy S., Joubert M.-F., Jacquier B. Blue upconverted fluorescence via photon-avalanche pumping in YAG: Tm // Phys. Stat. Sol. B. 1994. 183. K33.
- Normand C., Pomeau Y., Velarde M.G. Convective instability: A physicist’s approach // Rev. Mod. Phys. 1977. V. 49. P. 581.
- Case W.E., Koch M.E., Kueny A. W. Photon avalanche in rare-earth crystal // J. of Lumin. 1990. V. 45. P. 351.
- Joubert M.-F., Guy S., Jacquier B. Model of the photon-avalanche effect // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. P. 10 031.
- Joubert M.-F., Guy S., Jacquier В., Linares C. The photon-avalanche effect: review, model and application //Opt. Mat. 1994. V. 4. P. 43.
- BrenierA., Courrol L.C., Pedrini C., Madej C., Boulon G. Excited state absorption and looping mechanism in Yb3±Tm3± Ho3±doped Gd3Ga5012 garnet //Opt. Mat. 1994. V. 3.P. 25.
- Bouffard M., Jouart J.P., Mary G. Les mecanismes de la conversion versо iles hautes frequences, application a l’ion Tm// J. Physique. 1966. V. 6. P. 691.
- Guy S., Joubert M.-F., Jacquier B. Photon avalanche in the mean field approximation // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 8240.
- Hehlen M.P., Kudicher A., LenefA.L., Ni H" ShuQ., RandS. С., Rai J., Rai S. Nonradiative dynamics of avalanche upconversion in Tm: LiYF4 // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 2. P. 1116
- Gatch D.B., Dennis W.M., Yen W.M. Photon avalanche effect in LaCl3: Pr3+ //Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 10 790
- Перлин Е.Ю., Ткачук A.M., Joubert M.-F., Moncorge R. Каскадно-лавинная ир-конверсия в кристаллах YLF: Tm II Опт. и спектр. 2001. Т. 90, № 5. С. 772
- Е. Osiac, I. Sokolska, S. Kuckl. Evaluation of the upconversion mechanisms in Ho3±doped crystals Experiment and theoretical modeling // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 235 119.
- F. Lahoz, I. R. Martin, D. Alonso. Theoretical analysis of the photon avalanche dynamics in Ho3±Yb3+ codoped systemsunder near-infrared excitation 11 Phys. Rev. B. 2005. V. 71, P. 45 115.
- ЗегряГ.Г., Харченко В. А. Новый механизм оже-рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводниковых гетероструктурах // Журнал эксперим. и теоретич. физики. 1992. Т. 101. С. 327.
- ЗегряГ.Г., Полковников А. С. Механизмы оже-рекомбинации в квантовых ямах // Журнал эксперим. и теоретич. физики. 1998. Т. 113. С. 1491.
- Polkovnikov A.S., Zegrya G.G. Auger recombination in semiconductor quantum wells // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 4039.
- Miiller Т., Parz W., Strasser G., Unterrainer K. Influence of carrier-carrier interaction on time-dependent intersubband absorption in a semiconductor quantum well // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 155 324.
- Brey L., Dempsey JedJohnson, N. F., Halperin В. I. Infrared optical absorption in imperfect parabolic quantum wells // Phys. Rev. B. 1990. V. 42. P. 1240.
- War burton R. J., Weilhammer K., Kotthaus J. P., Thomas M., Kroemer H. Influence of Collective Effects on the Linewidth of Intersubband Resonance // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. P. 2185.
- Ullrich C. A., Vignale G. Theory of the Linewidth of Intersubband Plas-mons in Quantum Wells //Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 37 402
- Зегря Г. Г., Перлин В. Е. Внутризонное поглощение света в квантовых ямах за счет электрон-электронных столкновений // Физика* и техн. полупроводников. 1998. Т. 32. № 4. С. 466
- Kaiser W., Garrett. C.G. Two-Photon Excitation in GaF2: Eu2+ // Phys. Rev. Letters, 1961, V. 7. № 6. P. 229.
- Loudon R. Theory of nonlinear optical processes in semiconductors and insulators //Proc. Phys. Soc. 1962. V. 80. № 4. P. 952.
- Braunstein R. Nonlinear Optical Effects Phys. Rev. 1962. V. 125. № 2. P. 475.
- Loudon R. Theory of nonlinear optical processes in semiconductors and insulators // Proc. Phys. Soc. 1962. V. 80. № 4. P. 952.
- Hopfield J. J., Worlock J. M. Two-Quantum Absorption Spectrum of KI and Csl // Phys. Rev. 1965. V. 137. № 5A. P. 1455.
- Бункин Ф. В., Прохоров А. И. Роль многофотонных процессов в установлении предельной мощности квантовых генераторов // Журн. эксперемент. и теор. Физики. 1965. Т. 48, Вып. 4. С. 1084−1086.
- Физика соединений AuBvl, под ред. А. Н. Георгобиани, М.К. Шейнкма-на. М. гНаука, 1986, С. 184−245.
- Днепровский В. С., Клышко Д. Н., Пеннин А. Н. Фотопроводимость диэлектриков под действием излучения лазера // Письма в Журн. эксперимент, и теорет. Физики. 1966. т. 3, вып. 10, с. 385.
- Асеев Г. И., Кац М. Л., Никольский В. К. Многофотонное возбуждение фотопроводимости в щёлочно-галоидных кристаллах лазерным излучением // Письма в Журн. эксперимент, и теорет. Физики. 1968. Т. 8. Вып. 4. С. 174.
- Catalano I. М., Cingolano A., Mmafra A. Multiphoton transitions in ionic crystals //Phys. Rev. B. 1972. V. 5 № 4. P. 1629.
- Горшков Б. Г., Епифанов А. С., Маненков А. А., Панов А. А. Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках // В сб.: Лазерные исследования дефектов в полупроводниках и диэлектриках (Труды ИОФАН- Т. 4). М.: Наука, 1986, С. 99.
- Jones S. С., Shen X. A., Braunlich R. F., Kelly P., Epifanov A., S. Mechanism of prebreakdown nonlinear energy deposition from intense photon field at 532 nm in NaCl // Phys. Rev. B. 1987. V. 35. № 2. p. 894.
- Holway L.H., Fradin D. W. Electron avalanche breakdown by laser radiation in insulating crystals // J. Appl. Phys. 1975. V. 46. P. 279.
- Sparks M. Current Status of Electron-Avalanche Breakdown Theories // Natl. Bur. Stand. Circ. (U. S.) 435, 331, 1975.
- Epifanov A. S., Manenkov A.A., and Prokhorov A.M. Theory of avalanche ionization induced in dielectrics by an electromagnetic field // JETP. 1976. V. 70, P. 728.
- Smith W. L., Laser-induced breakdown in optical materials // Opt. Eng. 1978. V. 17. P. 489.
- Jones S C., Braunlich P., Casper R.T., Shen X.A. et al Recent progress on laser-induced modifications and intrinsic bulk damage of wide-gap optical materials // Opt. Eng. 1989. V. 28. № 10. P. 1039.
- Du D., Liu X., Korn G. et al Laser-induced breakdown by impact ionizationin Si02 with pulse widths from 7 ns to 150 fs // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. P. 3071.
- Stuart B.C., Feit D., Herman S., Rubenchik A.M., Shore B.W., Perry M.D. Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. P. 1749.
- Varel K, Ashkenasi D., Rosenfeld A. et al Laser-induced damage in Si02 and CaF2 with picosecond and femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 1996. V. 62. P. 1749.
- Lenzner M., Kruger J., Sartania S. et al Femtosecond optical breakdown in dielectric // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. P. 4076.
- Tien A.C., Backus S., Kapteyn H. et al Short-Pulse Laser Damage in Transparent Materials as a Function of Pulse Duration I I Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 3883.
- Li M., Menon S., Nibarger J.P. et al Ultrafast Electron Dynamics in Femtosecond Optical Breakdown of Dielectrics // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 2394.
- Petite G., Guizard S., Martin Ph. et al Comment on «Ultrafast Electron Dynamics in Femtosecond Optical Breakdown of Dielectrics» // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 83. P. 5182.
- Kaiser A., Rethfeld В., VicanekM. et al Microscopic processes in dielectrics under irradiation by subpicosecond laser pulses // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. P. 11 437.
- Apostolova Т., Hahn Y. Modeling of laser-induced breakdown in dielectrics with subpicosecond pulses // J. Appl. Phys. 2000. V. 88. P. 1024.
- Vatsyaa S. R., Nikumb S. K. Modeling of laser-induced avalanche in dielectrics // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 1. P. 344.
- Rethfeld B. Unified model for the free-electron avalanche in laser-irradiated dielectrics // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. № 18. P. 187 401.
- Rethfeld B. Free-electron generation in laser-irradiated dielectrics // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 35 101−1
- Quere F, Guizard S., Martin Ph. Time-resolved study of laser-inducedbreakdown in dielectrics // Europhys. Lett. 2001. V. 56. № 1. P. 138.
- Jia T. Q., Xu Z. Z, Li X. X, Li R. X., Shuai В., Zhao F. L. Microscopic mechanisms of ablation and micromachining of dielectrics by using femtosecond lasers II Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 4382.
- Перлин Е.Ю. Фотонная лавина в легированной квантовой яме // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 5. № 5. С. 777. '
- Perlin E.Yu. Photon Avalanche Effect in Doped Quantum Wells // Journ. of Luminescence. 2001. V. 94−95. P. 249.
- Перлин Е. Ю, Левицкий P. С. Фотонная лавина в легированных квантовых ямах: ир-конверсия и эффект переключения // Оптический журнал. 2006. Т. 73. В. 1.С. 3.
- Huang К., Zhu В. Long-wavelength optic vibrations in a superlattice // Phys. Rev. B. 1989. V. 38. № 3. P. 2183.
- Degani M.H., Hipolito O. Electron-phonon interaction effects in a quasi-two-dimensional electron gas in the GaAs-Gai.xAlxAs heterostructure // Phys. Rev. B. 1987. V. 35. № 14. P. 7717.
- Lassnig R. Polar optical interface phonons and Frohlich interaction in double heterostructures // Phys. Rev. B. 1984. V. 30. № 12. P. 7132.
- Ridley B.K. Electron scattering by confined LO polar phonons in a quantum well // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. № 8: P. 5282.
- Ridley B.K. Electron-hybrydon interaction in a quantum well // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. № 8. P. 4592.
- Rucker H., Molinari E., Lugli P. Electron-phonon interaction in quasi-two-dimensional systems // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. № 7. P. 3463.
- Nash K.J. Electron-phonon interactions and lattice dynamics of optic phonons in semiconductor heterostructures // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. № 12. P. 7723.
- Tsuchia Т., Ando Т. Electron-phonon interaction in GaAs/AlAs superlat-tices // Phys. Rev. B. 1993. V. 47. № 12. P. 7240.
- Trallero-Giner C., Comas F. Electron-LO-phonon interaction in semiconductor double heterostructures // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. № 9. P.4583.
- Trallero-Giner C., Comas F., Garsia-Moliner F. Polar optical modes and electron-phonon interaction in semiconductor nanostructures // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. № 3. P. 1755.
- Gondar J.L., Comas F., Castro F. Scattering rates in a semiconductor het-erostructure: the effects of intersubband transitions // Physica B. 2000. V. 292. P. 354.
- Levine B.-F. Quantum-well infrared photodetectors // J. Appl. Phys. 1993. V. 74. № 8.P.R1.
- Ando Т., Fowler A.B., Stern F. Electronic properties of two-dimensional systems // Rev. Mod. Phys. 1982. V. 54. № 2. P. 437.
- Manafresh M.O., Szmulowicz F., Vaughan Т., et al. Origin of the blueshift in the intersubband infrared absorption in GaAs/Alo^GaojAs multiple quantum wells //Phys. Rev. B. 1991. Vol. 43. № 12. P. 9996.
- Engelmann R., Ferguson J., Solanki R. Quantum-well activated phosphors: A new concept for electroluminescent displays // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 70. № 4. P. 411.
- Neogi A., Mozume Т., Yoshida H., Wada O. Intersubband Transitions at 1.3 and 1.55 цт in a Novel Coupled InGaAs-AlAsSb Double-Quantum-Well Structure // IEEE Photon. Technol. Lett. 1999. Vol. 11. № 6. P. 634.
- Neogi A., Yoshida H., Mozume Т., Georgiev N., Akiyama Т., Wada O. Absorption saturation of near-infrared intersubband transition in lattice-matched In-GaAs/AlAsSb quantum wells // Physica E. 2000. Vol. 7. P. 183.
- Garcia C.P., De Nardis A., Pellegrini V., et al 1.26 prn intersubband transitions in Ino.3Gao.7As/AlAs quantum wells // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 77. № 23. P. 3767.
- Перлин Е.Ю., Иванов А. В., Левицкий Р. С. Каскадно-лавинная генерация электрон-дырочных пар в квантовых ямах типа П. // ЖЭТФ. 2003. Т. 73. В. 1.С. 3.
- Перлин Е.Ю., Иванов А. В., Левицкий Р. С. Каскадно-лавинная ап-конверсия и генерация неравновесных электрон-дырочных пар в гетероструктурах типа II с глубокими квантовыми ямами. // Оптический журнал. 2006. Т. 73. В. 1.С. 12.
- Schmitt-Rink S., Chemla D.S., Miller D.A.B. Linear and nonlinear optical properties of semiconductor quantum wells // Advances in Phys. 1989. Vol. 38. № 2. P. 89.
- Перлин Е.Ю. Оптический штарк-эффект при переходном двойном резонансе в полупроводниках// ЖЭТФ. 1994. Т. 105, № 1. С. 98.
- Левицкий Р. С., Иванов А. В., Перлин Е. Ю. Эффект фотонной лавины в гетероструктурах типа I с глубокими квантовыми ямами // Оптический журнал. 2006. Т. 73. В. 2. С. 3.
- Перлин Е. Ю*., Федоров А. В., Кашевник М. Б. Многофотонное междузонное поглощение с участием свободных носителей в кристаллах // ЖЭТФ. 1983. Т.85. В.4. С. 1357.
- Даниилевский A.M., Перлин Е. Ю., Федоров А. В. Многофотонное поглощение с участием свободных электронов и фононов в n-InAs // ЖЭТФ. 1987. Т.93. С. 1319.
- Келдыш Л.В. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны // ---ЖЭТФ. 1964- Т.47. В.5. С. 1945.
- Бычков Ю.А., Дыхне A.M. Пробой полупроводников в переменном электрическом поле // ЖЭТФ. 1970. Т.58. В.5. С. 1734.
- Иванов А.В., Перлин Е. Ю. Многофотонные межзонные переходы с участием фотовозбужденных свободных носителей // Оптика и спектроскопия. 2005. Т. 99. С. 790.
- Kovarskii V.A., Perlin E.Yu. Multi-photon interband optical transitions in crystals // Phys. Stat: Sol. (b). 1971. V. 45. № 1. P. 47.
- Балкарей Ю.А., Эпштейн Э. М. Квазиэнергетический спектр электрона в кристаллической решетке // ФТТ. 1973. Т. 15. С. 925.
- Tzoar N. Gersten J.I. Theory of electronic band structure in intense laser fields // Phys. Rev. B. 1975. Y. 12. P. 1132.
- Перлин Е.Ю., Федоров A.B. Критические точки электронного зонного спектра в поле сильной электромагнитной волны // ФТТ. 1995. Т. 37. С. 1463.
- Перлин Е.Ю., Федоров А. В. Двухфотонное поглощение, контролируемое резонансным оптическим штарк-эффектом в кристаллах и квантовых наноструктурах // Оптика и спектр. 1995. Т. 78. С. 445.
- Перлин Е.Ю., Стаселько Д. И. Нелинейное возбуждение нанокри-сталлов AgBr в поле коротких световых импульсов // Оптика и спектр. 2000. Т. 88, С. 57.
- Ганичев С.Д., Емельянов С. А., Ивченко Е. Л., Перлин Е. Ю., Терентьев Я. В., Федоров А. В., Ярошецкий ИД. Многофотонное поглощение в полупроводниках в субмиллиметровом диапазоне // ЖЭТФ. 1986. Т. 91. С. 1233.