ПОЛЯРИЗАЦИЯ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОДНООСНО-СЖАТОГО р-ГЕРМАНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПРОБОЕ МЕЛКОЙ АКЦЕПТОРНОЙ ПРИМЕСИ
А. В. Андрианов"*, А. О. Захарьин", П. С. Алексеев"**, М. С. Кагань
'' Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе 194021, Санкт-Петербург, Россия
ъИнститут радиотехники и электроники им.. Б. А. Котеяьникова 125009, Москва, Россия
Поступила в редакцию 25 февраля 2012 г.
Представлены результаты спектральных и поляризационных исследований спонтанного терагерцевого излучения в условиях электрического пробоя мелких акцепторов (галлий) в кристаллах германия. Спектры излучения кристаллов, одноосно-сжатых в направлении [111] под давлением Р ~ 3 кбар, а также недеформированных, измерены при Т = 5 К с помощью фурье-спектрометра с шаговым сканированием. Выполнены оценки поляризации излучения для переходов дырок между различными состояниями мелкого акцептора в одноосно-сжатом германии. Для идентификации наблюдаемых линий излучения экспериментальные значения их энергий и поляризаций сопоставлены с расчетными. Обнаружены спектральные линии, соответствующие переходам дырок из резонансного состояния на возбужденные состояния акцепторов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Торагорцовый (ТГц) диапазон частот электромагнитных волн (0.1 10 ТГц) представляет особый интерес для множества приложений. Использование излучения этого диапазона необходимо для дистанционного экологического мониторинга, глобальных метеорологических наблюдений, в радарных системах, в астрономии космического базирования, в медицине, в лабораторных приборах для молекулярной спектроскопии и во многих других областях [1, 2]. Тем не менее этот диапазон частот до сих пор остается наименее изученным и используемым. В основном, это связано с отсутствием компактных, перестраиваемых и достаточно мощных источников ТГц-излучеиия. В настоящее время известно довольно много процессов в полупроводниках, приводящих к генерации ТГц-излучепия. В частности, ТГц-излучепие возникает при оптических переходах между уровнями мелких примесей. Например, в работе [3] было продемонстрировано
E-mail: alex.andrianov'fflmail.ioffe.ru
**E-mail: pavel.alekseev'fflmail.ioffe.ru
возникновение внутрипримесной инверсии и, соответственно, ТГц-лазерной генерации на переходах между примесными уровнями при мощной оптической накачке. В работах [4, 5] наблюдалось интенсивное спонтанное ТГц-излучепие в кремнии, возникавшее за счет внутрипримесных оптических переходов неравновесных носителей заряда при электрическом пробое мелких примесных центров. В кристаллах германия примесный пробой и соответствующее ТГц-излучснис возникают в значительно меньших полях, чем в кремнии, всего несколько В/см [6]. Особый интерес представляет акцепторная примесь в Се, поскольку схема энергетических уровней мелкого акцептора позволяет получить ТГц-лазерную генерацию на переходах между резонансными и локализованными уровнями акцептора при одноосной деформации кристалла [7, 8]. Интегральное ТГц-излучснис при пробое мелких акцепторов В СтС исследовалось во многих работах (см., например, работы [9, 10] и ссылки в них). Спектральное распределение этого излучения исследовалось недавно в работах [11, 12].
В настоящей работе представлены результаты спектральных и поляризационных исследований
ТГц-излучения, обусловленного электрическим пробоем мелкого акцептора в Ge (часть экспериментальных результатов была ранее кратко изложена в работах [11, 13]). Исследованы как одно-осно деформированные, так и не деформированные кристаллы. Приведены спектры электролюминесценции в поляризационной геометрии е _L Р и е || Р (е единичный вектор в направлении поля волны, Р приложенное одноосное сжатие), а также зависимости степени поляризации ТГц-излучеиия от электрического поля для различных наблюдаемых линий спектра. Наблюдаемые линии излучения идентифицированы с помогцыо сопоставления их энергий с расчетными значениями, а также с помощью оценки поляризации излучения для переходов дырок между различными состояниями мелкого акцептора. Обнаружены спектральные линии, соответствующие переходам дырок из резонансного состояния на возбужденные состояния акцепторов.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследовались кристаллы /ьСо, легированные Ста до концентрации 1014 см-3. Образцы для измерений были вырезаны в форме прямоугольных параллелепипедов размером 6 х 1.5 х 1.5 мм3 с наибольшим размером в направлении [111]. На одной из длинных граней наносились омические контакты с расстоянием между ними около 5 мм. Для создания одноосного давления в направлении [111] образец германия был плотно вмонтирован при комнатной температуре в оправку из органического стекла, после чего вся конструкция помещалась в гелиевый оптический криостат и охлаждалась до Т = 5 К. Давление в исследуемом образце возникало за счет разницы термических коэффициентов расширения материала оправки и германия. Оправка с исследуемым образцом находилась вблизи поверхности жидкого гелия в его парах. Температура в камере с образцом измерялась термопарой Си СиКе. один спай которой размещался в непосредственной близости к исследуемому образцу, а второй был помещен в жидкий гелий. Для определения величины созданного одноосного давления в образцах/ьСто(Ста) измерялся спектр фотопроводимости деформированного образца, который сравнивался с опубликованными спектрами для одноосно-деформированного германия [12]. Результаты такого сопоставления (детально изложенного в работе [13]) позволяют заключить, что одноосное давление в направлении [111], достигаемое в нашей установке, составляло 3 ± 0.3 кбар
при Т = 5 К. Измерения электролюминесценции проводились с помощью специализированного фурье-спектрометра с шаговым сканированием в диапазоне 5 350 см-1 [14]. Спектральное разрешение в большинстве случаев составляло 0.6 мэВ. Детектором ТГц-излучепия служил кремниевый болометр, охлаждавшийся жидким гелием. Для уменьшения джоулева нагрева напряжение смещения на исследуемые образцы подавалось в виде пачек прямоугольных импульсов. Длительности импульсов и интервалов между ними в пачке составляли по 10 мкс. Длительность пачек 6.2 мс, а частота их следования 80 Гц. Сигнал ТГц-излучеиия измерялся методом синхронного детектирования на частоте следования пачек импульсов. Перед входным окном фурье-спектрометра устанавливался линейный поляризатор, пропускающий излучение с вертикальной ориентацией вектора поляризации (¿»-поляризация по отношению к плоскости падеиия излучения на светоделитель ). Поляризатор имел коэффициенты пропускания около 70 % для излучения, поляризованного в плоскости его пропускания, и не более примерно 0.1% для излучения, поляризованного в перпендикулярной плоскости. Конструкция держателя образцов и криостата позволяла вращать оправку вместе с исследуемым образцом относительно оптической осп измерительной системы, что в сочетании с поляризатором, установленным на входе фурье-спектрометра, позволяло проводить измерения спектров ТГц-электролюминесценции с селекцией поляризации излучения вдоль и поперек осп давления (соответственно геометрия е || Р и е _1_ Р).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
ТГц-излучеиие в иедеформироваииых кристаллах /ьСто(Ста) при гелиевых температурах наблюдается при достижении примесного пробоя при напряженности электрического поля выше 3.3 В/'см [6, 9, 10]. В электрическом поле вплоть примерно до 20 В/'см это излучение не поляризовано. Как было отмечено в работе [11], зависимость мощности ТГц-излучеиия образца /ьСо от напряженности поля имеет немонотонный характер с максимумом при 13.8 В/'см. Оценка спектрально интегрированной мощности излучения (СИМИ) в полосе чувствительности измерительной системы с учетом потерь, связанных со сбором излучения и доставкой его к детектору, дает величину порядка 17 нВт при напряженности электрического поля 13.8 В/'см.
Частота, ТГц
0 2 4 6 8
Эпергия, мэВ
Рис. 1. о) Спектр ТГц-электролюминесценции недеформированного образца Со(Са) при Т = 5 К и Р = 7.5 В/см. б) Схема оптических переходов, ответственных за ТГц-излучение в Со(Са) вблизи порога примесного пробоя
Спектр ТГц-излучения при напряженности поля вблизи порога примесного пробоя показан на рис. 1«. Поскольку энергия ионизации галлия в недеформи-рованных кристаллах Се составляет 11.2 мэВ [15], основная узкая линия в спектре излучения с максимумом при энергии примерно 8.3 мэВ может быть отнесена к оптическим переходам дырок между вторым возбужденным состоянием акцептора 2Г^Г и основным состоянием примеси 1Гд" (рис. 16). Спектральное положение линии излучателыгого перехода 2Г^ —¥ 1Гд" согласуется с результатами исследований поглощения в Со (Ста) [16] и теоретического анализа [17, 18]. Асимметрия основной линии излучения со стороны высоких энергий связана со вкладом узкой линии с максимумом примерно при 9.7 мэВ и широкой линии с максимумом приблизительно при 13 мэВ. Линия при 9.7 мэВ соответствует оптическому переходу дырок между одним из высоких возбужденных состояний акцептора (скорее всего, из состояния 4Г^Г) и основным состоянием примеси. Излучение с энергией больше 11 мэВ обусловлено переходами дырок из валентной зоны на основное состояние акцептора. Необходимо отметить, что в спектре ТГц-излучеиия (рис. 1«) не проявляются оптические переходы из первого возбужденного состояния
акцептора . Это связано с тем, что сила осциллятора перехода 1Гд —¥ крайне мала. Она почти на два порядка меньше силы осциллятора перехода 2Г8- 1Г+ [19].
В деформированном />Се(Са) наблюдается уменьшение напряженности поля порога примесного пробоя до значений порядка 2.2 В/см (при Т = 5 К и одноосном давлении примерно 3 кбар (см. выше)). Зависимость мощности ТГц-электролюминесценции от напряженности поля также имеет немонотонный характер, но максимум достигается при Р ~ 7 В/см. Оценка СИМИ в этом случае дает величину 45 нВт при напряженности поля 7 В/см.
Под действием одноосной деформации ТГц-электролюминесценция германия становится сильно поляризованной. Степень линейной поляризации и ориентация вектора поляризации излучения по отношению к оси деформации меняются по спектру. Поскольку в пашем случае существует только одно выдел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.