Способ изменения оптической прозрачности прямозонных полупроводников

(54) СПОСОБ И РРОЗРАЧНОС ПРОВОДНИКО (57) Использов и параметров войств прибоие: для изменен олупроводников пособа являых дефектов лько в отраКомитет Российской Федерации по патентам и товарнымзнакам(73) Институт радиотехники и элРАН ЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПРЯМОЗОННЫХ ПОЛУИзобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к изменению свойств и параметров полупроводниковых приборов под действием лазерного излучения.Известен способ фотовозбуждения локальной области поверхности полупроводникового материала модулированным по времени лазерным лучом с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника.Недостатком указанного сется регистрация поверхностнлишь в локальной области и тоженном зондирующем луче.Наиболее близким техническим решением к заявленному по достигаемому результату и совокупности признаков является способ изменения оптической прозрачности полупроводника путем воздействия на него при комнатной температуре ров под действием лазерного облучения. Сущность изобретения: в способе изменения оптической прозрачности полупроводника энергию возбуждающего луча доводят до порогового значения и выше. причем длительность возбуждения выбирают не меньшей времени охлаждения электроннодырочной плазмы полупроводника, но меньшей времени рекомбинации носителей, а энергию фотона определяют иэ неравенства и вех-Ец М Т, где Ь о)ех- энергия кванта возбуждающего импульса; Е - ширина запрещенной эоны невозбужденного полупроводника; КТ). - тепловая энергия решетки. 2 ил. возбуждающего луча с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, Это техническое решение принято за прототип.Недостаток прототипа заключается в том, что происходит облучение образца импульсами с энергией возбуждения ниже порогового значения, в результате которого происходит необратимый спад наведенной прозрачности в течение наносекунд,Целью изобретения является обеспечение модуляции прозрачности с пикосекундным диапазоном длительности импульса.Способ осуществляется следующим образом.Исследования проводят при комнатной температуре на лазерном пикосекундном спектрофотометрическом комплексе, Комплекс имеет три канала, по которым одновременно или с регулируемой оптической задержкой распространяются три световых импульса длительностью 30-40 пс, Эти им гООО 63 Опульсы получают от одновременно накачиваемых трех источников: двух параметрических генераторов света с перестройкой длины волны от 0,3 до 2,0 мкм каждого независимо от генератора светового континуума в области длин волн 0,3-1,0 мкм. На образец фокусируют мощный возбуждающий луч(один или два) и на два - три порядка слабее зондирующий. По измеренному нэ выходе зондирующего канала интегральному сигналу фотоприемника можно автоматизироаанно измерять кинетические, динамические, спектральные, дисперсионные зависимости прозрачности образца от возбуждающего облучения, а также аналогичные зависимости излучения из образца.В области энергии возбуждающего импульса Юе, превышающих некоторое пороговое значение, прозрачность образца возрастает и спадает почти синхронно с изменением интенсивности возбуждающего света, В этих случаях после импульса возбуждения (на временах гораздо меньших тя) наблюдается некоторое остаточное просветление. Величина остаточного просветления не зависит от энергии Юе возбуждающего импульса, тогда кэк возрастает с увеличением энергии Щ,Эффект обратимого просветления софстоит а том, что во время возбуждающего импульса появляется добавочный (по сравнению с остаточным) вклад в просветление, который исчезает по окончании возбуждения, Амплитуда этого добавочного вклада возрастает при увеличении энергии 1 Ме возбуждающего импульса. Возникновение этого добавочного вклада в просветление обусловлено внутренним разогревом носителей возбуждающим светом, Внутренний разогрев может быть существенным в этих условиях благодаря тому, что темп остыаания электронно-дырочной плазмы пуи достигнутых концентрациях и10 смз значительно понижен. Внутризонное поглощение возбуждающего света действительно может привести к разогреву носителей, достаточному для образования наблюдаемого дополнительного вклада в просветление.Примеры конкретного выполнения способа.Исследуемые образцы представляют собой гетероструктуры Ао,а Оао,5 АБ-ОаАБАо,5 Оао,5 АБ с толщиной каждого из слоев -1 мкм, выращенные на (100)-подложке из и - СаАБ. На площади 4 х 4 мм подложку стравливают. Слои Ао,аОао,а АБ, предназначенные для стабилизации поверхностной рекомбинации и механической прочности, 45 50 55 Сущность изобретения заключается в обеспечении модуляции прозрачности и получении избыточного обратимого просветления, механизм которого заключается в том, чго обратимый вклад в просветление обусловлен внутризонным разогревом носителей возбуждающим светом. Следует отметить, что при повышении температуры изменяются значения ре и рп, а значит, и концентрация. Обратимость спада наведения прозрачности возможна только при условии, когда длительность возбуждающего импульса Ь 1 больше времени охлаждения кэлектронно-дырочной плазмы. При ЬС ) т (вре лени спонтанной рекомбинации) спад наведения прозрачности будет прозрачны для света с 11 о) 2,2 эВ, используемого в эксперименте,Измерения проводят на длине волныр зондирующего света 794 нм (и в ==1,562 эВ) при различных энергиях Юе"возбуждающего импульса, Максимальнаяэнергия Юе возбуждающего импульса,проходящая через область зондирования"0 ифотона возбуждающего света равняется 1,437 эВ ( Л=863 нм) и иа 11 мэВ превышает величину Ер (ширина запрещеннойзоны). то=о в положении, где находитсямаксимум кросс-корреляционной функцииО (тд ) возбуждающего и зондирующего импульсов.Кривая просветления (фиг.1) при наименьшем 9/в в согласии с тривиальнымипредставлениями демонстрирует возрастание просветления в течение возбуждающего импульса, а затем медленный спад спостоянной времени 500 пс - тр - времениспонтанной рекомбинации.Подобный обратимый характер просветления наблюдается в широком диапазоне длин волн зондирующего излучения,При этом спектр остаточного просветленияне зависит от энергии Юе возбуждающего.Дополнительный же вклад в спектр прозрачности возрастает с увеличением ЧЧе.Наличие в спектрах двух максимумов объясняется тем, что в области длинноволновогомаксимума поглощение зондирующего лучаобусловлено переходами из зон тяжелых илегких дырок, а в области второго максимума в основном из спин-орбитально отщепленной эоны.Спектр остаточного просветления объясняется тем, что фотоаозбужденные электроны и дырки имеют фермиевскиераспределения по энергиям с температуройрешетки и квазиуровнями Ферми, 2000630определяться процессами спонтанной рекомбинации и снижать наведенную прозрачностьь.При Л 1гт теряется свойство обратимости прозрачности ,на спаде),Внутризонный разогрев может быть существенным в наших условиях благодаря тому, что темп остывания электронно-дырочной плазмы при достигнутых концентрагв -зциях и, 10 см значительно понижен. Причинами замедления охлаждения может быть как экранирование электрон-фонового взаимодействия, так и разогрев оптических фононов. В условиях описанных опытов экранирование несущественно, и замедление темпа охлаждения плазмы скорее обусловлено тем, что продольные оптические фононы в некотором интервале волновых вектороо Л р приходят с плазмой в раонооесие, При этом охлаждение плазмы на таких фононэх происходит только по мере их распада на акустические фононы благодаря ангармонизму.Фиг.2 демонстрирует, что рассчитанная при таком предположении зависимость температуры плазмы от энергии импульса возбуждения согласуется со значениями Те, полученными при обработке экспериментальных спектров.Еще до наступления состояния насыщения при Ь вех ре,игг Ея в спектральной области ЕпЬв (,ие - и Ь возникает инверсия заселенностей и усиление спонтанного излучения - суперлюминесценция, В этих условиях каждый фотон спонтанного излучения индуцирует рекомбинацию большого числа электронно-дырочных пар, При этом эффективное оремя рекомбинации может быть достаточно коротким,В опытах приблизительно обратимое изменение прозрачности наблюдалось при Ь ож существенно превышающих Ер. Оказалось, что по окончании возбуждения просветление образца не зависело от Ь огх Это указывает, что состояние носителей после импульса ге является состоянием насыщения и условие и, -,иг=Ь гЛ.х, не выполняется. Оказалось, что спектр просветления после импульса хорошо описывается уравнениями, характеризующими условия насыщения и электронейтральности при комнатной температуре носителей,с -/1 ь =-ЕрЭтот результат показывает, что основным фактором, определяющим состояние носителей после импульса следует считать быстрый сброс избыточной концентрации госигелей за счет сверхлюминесценции. При э;ом после импульса устанавливается 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 состояние с максимальной ко :". электронно-дырочных пар, при кооп .отсугствует инверсия заселеноет.й б че называть это состояние порогооьм).Все сказанное позволяет элкоюиго, что наблюдаемое в опытах обратимое про светление действительно обусловлено почти обратимым разогревом электронно-дырочной плазмы,Во время действия импульса накачки рекомбинационная сверхлюминссценция ограничивает расстояние между Ферми- уровнями снизу, а насыщение прозрачности - серу, так что Ере -,иггп оъх,Быстрый сброс концентрации, обусловленный сверхлюминесценцией, приводит после импульса к состоянию с максимальной концентрацией, при которой еще отсутствует инверсия заселенностей, Это состояние описывается условиями п-р; уц - в= Ер и не зависит ни от энергии кванта возбуждающего света, ни от энергии импульса возбуждения. В этом смысле это состояние(пороговое) является универсальным.Таким образом, при возбуждении аргенида галлия достаточно мощным пикосекундным импульсом света с энерг 1 гялггг фотоноо, близкими к ширине запрегцеог зоны, наблюдается обратимое просветление образца. Обратимый вклад о просоетле. ние обусловлен почти обратимым разогревом электронно-дырочной плазмы, Разогрев в значительной мере связан с онутризонным поглощением импульса накачки и оказывается эффективным Гав" - даря тому, что при достиуг ьх концентрациях носителей скорость ост оания электронно-дырочной пла."мьсу,с. стоенно снижается,Формула изобретен ил Способ изменения оптической прозрачности ггрямозонных полугрооод.гкоо, оключающий воздействие н о упро;одник при комнатной температуре возбуждающего лазерного излучения с эергге; кванта, превышающей шириу з.геще- ной зоны, о т л и ч а ю щ и й с я тего, с цельо обеспечения модуляции грозрт ;ости в пикосекундном диапазоне д". гельасти импульса, глотнос гь мощости лазерного излучения оыбирао ;. мсее по. рогового значения, при когором оозикаег спад оптической прозрач:ос;1 г, а длительность воздействия оыбираюг аныне времени охлаждения электрооо-ды и;н .,; плазмы полупроводника, но не больш зр мени рекомбинации носителей, эгергггю кванта выбирают из нераоегсто.2000630 Яя ОВ г.Д Составитель Н. Лисивинаедактор А. Купрякова Техред М.Моргентал Корректор С, Ю Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ака изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Ь Оъх- Ец МТ 1где Ь иъ - энергия кванта возбуждающегоимпульса; Ец - ширина запрещенной эоны невозбужденного полупроводника;МТ - тепловая энергия решетки.