WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

температурой в максимуме величины |g(, E)| для области полей генерации в конфигурации Фогта из рис. 2; расчет для Сравнивая численные значения 21 + indir и latt Np = 2.5 · 1014 см-3, 100 120 мкм, B = 2.2T; также из [14], можно сделать вывод, что основная причина приведены температурные зависимости 21 и indir.

ограничения рабочей температуры лазера заключается в резком росте latt с T.

2.2. Спектры излучения сях. Более сильное возрастание межподзонного рассеяния HH по сравнению с LH в поля E B (из-за Спектры излучения лазера на горячих дырках ранее большей средней энергии HH) приводит к увеличению изучались различными авторами [1]. Практически все концентрации LH N2 и, соответственно, к уменьшению спектры были получены в конфигурации полей Фарадея концентрации HH N1.

и главным образом для относительно чистых образцов В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 3 германия (Np < 1014 см-3). В таких образцах вблипредставлены рассчитанные зависимости T1 и T2, а зи температуры жидкого гелия особенности механизма также N2(E)/N2(0) (N2(0) — концентрация LH при инверсии и основные характеристики стимулированного E = B = 0) от E в скрещенных полях E и B. излучения качественно можно описать, рассматривая Для сравнения также приведены температуры горячих почти баллистическое (бесстолкновительное) движение дырок и отношение N2(E)/N2(0), найденные с помощью HH и LH в пассивной области энергий < 0 [15].

экспериментально определенных ФР HH и LH [11]. Для больших концентраций дырок (и примесей) или Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Характеристики лазера дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии... фононов indir Npm и в той же спектральной области m2. Зависимость g() для образцов с двумя различными концентрациями дырок (см. вставку на рис. 4) показывает резкое уменьшение усиления в длинноволновой области спектра для образца с большей концентрацией примеси.

C ростом электрического и магнитного полей спектр излучения смещается в коротковолновую область (рис. 4), что уже отмечалось ранее (для чистых образцов) [1]. Это соответствует расчету (рис. 5). Из рис. видно, что максимум усиления смещается в коротковолновую область с ростом E и B. На этом же рисунке приведены зависимости 21 и g = 21 + indir, для которых коэффициент поглощения (усиления) 21 при прямых межподзонных переходах был найден согласно выражению (5), в котором f2(2) и f1(1) были взяты из эксперимента [11], а не в виде больцмановских ФР (12). Как видно, имеется качественное согласие для зависимостей g(), полученных как при использовании Рис. 4. Спектры излучения лазера на горячих дырках в геометрии Фарадея. J — сигнал, регистрируемый детектором.

T = 4.2K, Np = 2.5·1014 см-3. 1 — B = 1.5T, E = 2.4 кВ/см;

2 — B = 1.8T, E = 2.9 кВ/см; 3 — B = 2.1T, E = 3.2 кВ/см.

На вставке — расчет спектральной зависимости коэффициента поглощения света для двух образцов с разной концентрацией дырок и примесей; T = 4.2K, B = 1.54 T, E = 2.4 кВ/см;

1 — Np = 6 · 1013 см-3KL549, NI = 1.2 · 1014 см-3;

2 — Np = 4.8 · 1014 см-3, NI = 9.6 · 1014 см-3.

при более высоких температурах решетки удобнее использовать для качественного описания диффузионнодрейфовую модель [16], отраженную в системе уравнений (13)–(16).

В спектрах излучения чистых образцов в конфигурации Фарадея имеются две области генерации: коротковолновая, 70 120 мкм, и длинноволновая, 170 210 мкм [1]. Генерация в промежутке между этими областями обычно не проявляется, возможно, из-за поглощения света примесями, часть которых в сильном поле остается заполненной дырками [17,18]. В Рис. 5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения более сильно легированных областях длинноволновая (усиления при 21 < 0, g < 0) для разных электрических область генерации отсутствует (рис. 4). Вероятно, и магнитных полей. Точечные и штриховые линии — расэто связано с резким ростом коэффициента поглощения чет с использованием больцмановских функций распределения при непрямых переходах с участием примесей, который горячих тяжелых и легких дырок (12) при T = 4.2K, увеличивается примерно как indir NINpm (NI — Np = 2.5 · 1014 см-3, NI = 5 · 1014 см-3; 1 — b = 1.5T, концентрация ионизированных примесей, доноров и ак- E = 2.4 кВ/см; 2 — B = 2.2T, E = 3.3 кВ/см. Сплошные цепторов: NI = NA + ND). Как показывает расчет, линии — расчет 21 и g с использованием функций распределения, определенных экспериментально в [11] при T = 4.2K, для длинноволновой ИК области ( 70 250 мкм) Np = 2.5 · 1014 см-3, B = 2.2T, E = 3.3 кВ/см.

m 3.5. Для поглощения с участием оптических Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1480 Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, Ю.В. Кочегаров, В.Н. Тулупенко, Д.А. Фирсов ФР, определенных экспериментально, так и аппроксимированных больцмановскими (12) с температурами Ti и дрейфовыми скоростями vdr i, найденными из расчета.

На рис. 6 представленны спектры излучения того же образца, который исследовался в геометрии Фарадея (рис. 4), но для конфигурации полей Фогта. Как и для геометрии Фарадея, с ростом E и B спектр смещается в коротковолновую сторону. Наряду с большей интенсивностью излучения по сравнению с конфигурацией Фарадея (ср. с рис. 4) в конфигурации Фогта наблюдается также возгорание генерации в длинноволновой области.

Ранее в этой области в образцах с Np > 1014 см-генерация не наблюдалась. Это говорит о росте усиления в конфигурации Фогта по сравнению с конфигурацией Фарадея.

При повышении температуры кристалла интенсивность излучения резко снижается. Поэтому спектры излучения исследовались с помощью светосильного перестраиваемого интеферометра Фабри–Перо. На вставке к рис. 6 представлена одна из интерферограмм, из которых обратным преобразованием Фурье находится спектр излучения. На рис. 7 приведены полученные таким образом спектры излучения. Электрическое и магнитное поля выбирались таким образом, чтобы интенсивность излучения при заданной температуре была наибольшей.

Нетрудно видеть, что спектры при T = 4.2K для одних и тех же полей, полученные с помощью спектрометра и перестраиваемого интерферометра, подобны Рис. 7. Спектры излучения лазера в конфигурации полей (рис. 6 и 7). Наряду с уменьшением интенсивности Фогта, полученные из анализа интерферограмм, подобных излучения с ростом температуры следует отметить смепредставленной на вставке к рис. 6. Np = 2.5 · 1014 см-3;

щение спектра излучения в длинноволновую область. На 1 — T = 4.2K, B = 1.54 T, E = 3 кВ/см; 2 — T = 24 K, B = 2.3T, E = 3.5 кВ/см; 3 — T = 43 K, B = 2.3T, E = 3.5 кВ/см. На вставке — зависимость коэффициента поглощения от длины волны света для двух температур; расчет для образца с Np = 2.5 · 1014 см-3, NI = 5 · 1014 см-3;

1 — T = 4.2K, B = 1.54 T, E = 3 кВ/см; 2 — T = 43 K, B = 2.3T, E = 3.5 кВ/см.

вставке к рис. 7 показана спектральная зависимость коэффициента усиления g, рассчитанная для тех же значений T, E и B, для которых были получены спектры излучения (рис. 7). Видно, что с ростом T происходит слабое смещение максимума |g| в длинноволновую область. Однако, вероятно, более важной причиной сдвига спектра излучения является уменьшение коэффициента поглощения света колебаниями решетки с ростом, которое особенРис. 6. Спектры излучения лазера в геометрии Фогта для того но сильно проявляется при T > 30 K [14]. Отметим же образца, который исследовался в геометрии Фарадея (см.

также, что в геометрии Фогта при T > 40 K происходит рис. 4). J — сигнал, регистрируемый детектором. T = 4.2K.

генерация в узком спектральном диапазоне. При этом Np = 2.5 · 1014 см-3; 1 — B = 1.54 T, E = 3 кВ/см;

частота генерации совпадает с удвоенной циклотронной 2 — B = 1.71 T, E = 4 кВ/см. На вставке —зависимость частотой легких дырок. Ранее генерация на удвоенной интенсивности прошедшего через интерферометр излучения циклотронной частоте в конфигурации Фарадея в чистых лазера от расстояния между зеркалами интерферометра d;

образцах была обнаружена в работе [19]. Можно было полупрозрачные зеркала представляли собой плоские металлипредположить, что усиление света при переходах дырок ческие сетки с коэффициентом отражения R 0.68; кристалл между зонами LH и HH и между уровнями Ландау LH лазера имел температуру T = 4.2K, Np = 2.5 · 1014 см-3, обеспечивает в геометрии Фогта генерацию узкой линии B = 1.54 T, E = 3 кВ/см; геометрия Фогта.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Характеристики лазера дальнего инфракрасного диапазона на горячих дырках в германии... при T > 40 K. Как следует из расчетов коэффициента Characteristics of far-infrared laser on hot усиления поляризованного света при переходах дырок holes in germanium in Voight and Faraday между подзонами LH и HH [20], в коротковолновой configurations of fields области коэффициент усиления максимален для поляL.E. Vorobjev, S.N. Danilov, Yu.V. Kochegarov, ризации света e B, которая в конфигурации полей V.N. Tulupenko, D.A. Firsov Фарадея невозможна. Следует, однако, заметить, что излучение с такой поляризацией не является активным State Technical University, при циклотронном резонансе.

195251 St. Petersburg, Russia, Работа поддержана Российским фондом фундамен- Donbass State Engineering Academy, тальных исследований, грант 96-02017404; совместным 343916 Kramatorsk, Ukraine грантом РФФИ — INTAS, грант 00615; Государственным комитетом по науке и технике РФ, грант 1-093/4.

Abstract

The investigations of far-infrared laser based on intersubband transitions of hot holes in strong crossed electric and magnetic fields in germanium with hole concentration 2.5·1014 cm-3 in Список литературы Voight and Faraday configurations are described. New comparative data concerning field regions where generation arises, spectral [1] Optical and Quant. Electron., 23, N 2 (1991) [Special Issue characteristics and their dependencies on the lattice temperature on Far-infrared Semiconductor Lasers].

in two configurations are presented.

[2] L.E. Vorobjiv, S.N. Danilov, V.I. Stafeev. Optical and Quant.

It is shown that Voight configuration is preferable: the field Electron., 23, S221 (1991).

range where lasing arises is wider, the operational temperature is [3] I. Hosako, S. Komiyama. Semicond. Sci. Technol., 7, Bhigher, the generation spectra is more wide and the light intensity (1992).

is higher than in Faraday configuration. The characteristics of [4] L.E. Vorobjev, S.N. Danilov, D.V. Donetsky, D.A. Firsov, Yu.V. Kochegarov, V.I. Stafeev. Semicond. Sci. Technol., 9, laser are discussed, the comparison of the experimental data with 641 (1994).

calculations is carried out.

[5] A.A. Andronov, A.M. Belyantsev, E.P. Dodin, V.I. Gavrilenko, E-mail: sdan@phsc2.stu.neva.ru (S. Danilov) Yu.L. Ivanov, V.A. Kozlov, Z.F. Krasil’nik, L.S. Mazov, A.V. Muravjov, I.M. Nefedov, V.V. Nikonorov, Yu.N. Nozdrin, S.A. Pavlov, V.N. Shastin, V.A. Valov, Yu. B. Vasil’ev. Physica, 134B, 210 (1985).

[6] Л.Е. Воробьев, Ф.И. Осокин, В.И. Стафеев, В.Н. Тулупенко.

Письма ЖЭТФ, 35, 360 (1982).

[7] Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.И. Стафеев. ФТП, 21, (1987).

[8] E.O. Kane. J. Phys. Chem. Sol., 1, 82 (1956).

[9] A.H. Kahn. Phys. Rev., 97, 1647 (1955).

[10] Ю.Т. Ребане. ФТП, 14, 289 (1980).

[11] Л.Е. Воробьев, В.И. Стафеев, В.Н. Тулупенко, Ю.К. Пожела, Е.В. Стариков, П.Н. Шикторов. ФТП, 19, 62 (1985); 19, 708 (1985).

[12] Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.И. Стафеев. ФТП, 21, (1987).

[13] Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения AIIIBV ), ред. Р. Уиллардсон, А. Бир (М., Мир, 1976) [Semiconductors and Semimetals, ed. by R.K. Willardson, A.C. Beer, v. 3: Optical properties of III–V compounds (Academic Press, N.-Y. and London, 1967).

[14] R. Brazis, F. Keilmann. Sol. St. Commun., 70, 1109 (1989).

[15] А.А. Андронов, В.А. Козлов, Л.С. Мазов, В.Н. Шастин.

Письма ЖЭТФ, 30, 585 (1979).

[16] Л.Е. Воробьев, С.Н. Данилов, В.И. Стафеев, В.Н. Тулупенко. ФТП, 21, 1600 (1987).

[17] C. Kremser, W. Heiss, K. Unterrainer, E. Gornick, E.E. Haller, W.L. Hansen. Appl. Phys. Lett., 60, 1765 (1992).

[18] W. Heiss, K. Unterrainer, E. Gornick, W.L. Hansen, E.E. Haller. Semicond. Sci. Technol., 9, S638 (1994).

[19] А.В. Муравьев, Ю.Н. Ноздрин, В.Н. Шастин. Письма ЖЭТФ, 48, 241 (1988).

[20] E.V. Starikov, P.N. Shiktorov. Optical and Quant. Electron., 23, S177 (1991).

Редактор Л.В. Шаронова Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.