Регистрация / Вход
Прислать материал

Инфракрасная и терагерцовая спектроскопия с временным разрешением неравновесной динамики носителей заряда в полупроводниках с использованием излучения лазеров на свободных электронах

Докладчик: Шастин Валерий Николаевич

Должность: руководитель (заведующий, начальник) лаборатории, заведующий лаборатории

Цель проекта:
Научная составляющая проекта связана с физикой горячих электронов в полупроводниках и полупроводниковых структурах, т.е. возбуждаемых оптически или электрическим полем сильно неравновесных электронных состояний в таких средах. Такие состояния определяют работу практически всех полупроводниковых устройств, детекторов и источников излучения электромагнитных волн, транзисторов, элементов компьютерной логики и т.д. Тем самым проект имеет непосредственное отношение к «технологии создания элементной базы и энергоэффективных световых устройств», что относится к приоритетному направлению «энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». С другой стороны, планируемые исследования связаны с использованием мощных импульсных лазеров терагерцового диапазона частот на свободных электронах в России и Германии, что будет способствовать расширению круга задач, решаемых с помощью таких источников, и совершенствованию методик и техники эксперимента. Речь идет об измерениях методом пробного импульса временной динамики распада и нелинейной спектроскопии, оптически возбуждаемых сильно неравновесных состояний кулоновских центров (доноров, акцепторов) в кремнии, германии и наноструктурах на их основе. Дополнительно немецкой стороной будут проведены измерения временной динамики возбуждаемых лазером на свободных электронах (ЛСЭ) неравновесных состояний экситонов в структурах на основе арсенида галлия и кремний-германия. В основе работы ЛСЭ лежит использование пучка релятивистских электронов, движущихся в периодической цепочке магнитов. И такие лазеры являются наиболее универсальными источниками когерентного излучения электромагнитных волн от миллиметрового до рентгеновского диапазонов. При этом они обладают целым рядом достоинств. Среди которых следует отметить возможность непрерывной перестройки частот излучения в их широкой полосе. В режиме генерации коротких импульсов (единицы пикосекунд) энергия излучения в импульсе может достигать 0,002 Дж. Вышесказанное объясняет большой объем публикаций связанных с использованием ЛСЭ для исследования различных сред от биологии до физики. При этом при измерениях используются различные методы и подходы. Речь может идти о селективном воздействии оптического излучения на те или иные процессы (реакции) в исследуемой среде, нелинейной спектроскопии или регистрации и измерении быстро протекающих процессов. Одним из часто используемых методов исследования быстро протекающих процессов на ЛСЭ является метод пробного импульса (pump-probe technique). Опыт исследований проводимых с использованием ЛСЭ, в частности, в Голландии (г. Наймеген) и Германии (г. Дрезден) показывает, что метод пробного импульса (pump-probe technique) даже в монохромном (одночастотном) варианте является наиболее прямым и эффективным инструментом изучения времен релаксации различных электронных систем. В основе метода лежит измерение временной динамики коэффициента прохождения пробного импульса малой интенсивности после воздействия на исследуемый образец мощного импульса накачки. Для быстро протекающих c временами короче наносекунды процессов такая зависимость обычно измеряется, используя схему оптической задержки пробного импульса. Заметим, что несколько более сложная оптическая схема пробного импульса может быть использована и для измерения эффекта фотонного эха. Метод пробного импульса уже много лет с успехом применяется для изучения релаксации горячих электронов в полупроводниках, полупроводниковых структурах пониженной размерности и таких необычных сред как графен. Однако при его использовании часто возникают сложности интерпретации получаемого временного отклика. В этом плане у экспериментаторов пока не сложилось единого подхода, и публикуемые результаты измерений иногда противоречат друг другу. Здесь важно отметить, что на ЛСЭ действующим в России (Новосибирск) установка для измерений методом пробного импульса отсутствует, и проведение целого ряда исследований в нашей стране не представляется возможным. Обустройство соответствующего рабочего места на ЛСЭ в Новосибирске является актуальной научно-технической задачей и запланировано в рамках предлагаемого проекта. В части эксперимента планируется, используя метод пробного импульса на ЛСЭ в Новосибирске, изучить низкотемпературную релаксацию различных возбужденных состояний мелких доноров и акцепторов в объемном германии, а также акцепторов в наноструктурах на основе кремния и германия с селективно легированными квантовыми ямами. Подобные измерения темпов релаксации состояний мелких доноров и акцепторов в кремнии предполагается сделать на ЛСЭ в Дрездене. Экспериментальные исследования будут проведены при охлаждении исследуемого образца до температур от 100 до 5 градусов Кельвина. Здесь надо обратить внимание на отличие в длинах волн (частотах) излучения ЛСЭ в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск) и ЛСЭ в Центре Гельмгольца (Дрезден). В Новосибирске диапазон длин волн лежит в диапазонах от 120 до 240 мкм плюс от 40 до 80 мкм, а в Дрездене от 4 до 250 мкм. Это частично объясняет причину того, что измерения на кремнии, для которого энергия состояний кулоновских центров превышает 40 милиэлектронвольт, будут выполнены в Германии. Заметим, что оба лазера работают на базе линейного ускорителя электронов и являются мощными источниками импульсно периодического излучения. Они отличаются не только по диапазону частот излучения, но и длительности импульсов (20-100 пикосекунд в Новосибирске и 10 в Дрездене) и частотам их повторения (5,6 и 13 мегагерц соответственно). Особое внимание будет уделено воздействию на результаты измерений одноосной деформации сжатия кристалла. Экспериментальные исследования по влиянию деформации кристалла на процесс релаксации неравновесных состояний доноров и акцепторов пока не проводились. Известно, что одноосная деформация кристалла существенно меняет электронные состояния, как зоны проводимости, так и валентной зоны кремния и германия. Поэтому в соответствии с теоретическими оценками следует ожидать существенного влияния такого воздействия на безызлучательный процесс низкотемпературной релаксации с излучением фононов. Тем самым проведение заявленных измерений является актуальным. В рамках предлагаемого проекта немецкая сторона ставит задачу создания такой установки на ЛСЭ в Дрездене и проведения на ней измерений. Заметим, что изменение спектров поглощения при резонансной ЛСЭ накачки состояний доноров и акцепторов кремния и/или германия может происходить как из-за возмущения населенности различных состояний, так и по причине влияния поля накачки на сами эти состояния. В последнем случае речь идет о воздействие сильного поля волны (эффект Штарка) на энергию и волновые функции электронных состояний. Учитывая сказанное к признакам научной новизны заявки можно отнести постановку новых научных и научно-технических задач и возможность получения результатов, способных к правовой охране. 2. Важной целью проекта является запуск экспериментальной установки для измерений быстро протекающих (с временами до 20-100 пикосекунд) процессов методом пробного импульса на лазерах на свободных электронах (ЛСЭ) в г. Новосибирск. Подобная установка (с разрешением до 5-10 пикосекунд) успешно эксплуатируется на ЛСЭ (Дрезден) и опыт совместных научных исследований с немецкой стороной поможет в достижении указанной цели. Это предоставит научно-исследовательских группам в России новое средство проведения исследований сильно неравновесных электронных состояний в полупроводниках, полупроводниковых структурах и других средах. Максимально возможное временное разрешение ограничивается длительностью импульса ЛСЭ и разрешение, которое можно получить на ЛСЭ в Новосибирске по нашим оценкам достаточно для измерений темпа релаксации доноров и акцепторов в кристалле германия. Другая цель, которая преследуется в ходе проведения совместных измерений на упомянутых лазерах на свободных электронах – разработка и внедрение достаточно быстрого (с разрешением менее наносекунды) фотоприемника терагерцового излучения на базе кристалла германия легированного мелкими донорами и (или) акцепторами. Такой фотоприемник мог бы использоваться не только для измерений методом пробного импульса, но и других временных измерениях как на отмеченных выше ЛСЭ, так и других подобных источниках импульсного инфракрасного излучения. Важной составляющей совместных исследований будет измерение зависимости времен релаксации доноров и акцепторов в кремнии и германии от величины и направления одноосной деформации сжатия кристалла. Конечной целью является понимание процессов и механизмов влияния такой деформации кристалла на процессы низкотемпературной релаксации оптически возбуждаемых примесных центров с излучением фононов. Еще одной целью проекта является развитие нелинейной спектроскопии временного разрешения терагерцового диапазона частот при накачке электронных состояний в полупроводниках и полупроводниковых структурах лазером на свободных электронах. Проект будет совместно проводиться тремя организациями из России и тремя организациями из Германии.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Коротко основные результаты можно разделить на технические (научно-технические) и научные. К первым можно отнести создание экспериментальных стендов (установок), позволяющих нарастить экспериментальные возможности научных групп. Ко вторым - получение научных данных с использованием этих установок.

2.1 Результаты, полученные российскими участниками.
2.1.1 Экспериментальные установки:
Установка по измерению временной динамики релаксационных процессов с временным разрешением до 100 пикосекунд на базе Лазера на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
2.1.2 Результаты теоретических исследований:
Результаты теоретических расчетов времен релаксации возбужденных состояний мелких примесей в кремнии и германии при взаимодействии с фононами.
2.1.3 Результаты измерений времен релаксации возбужденных состояний оптически возбуждаемых мелких доноров и акцепторов в кристалле германия, используя метод пробного импульса. Результаты измерений зависимости времен релаксации от концентрации примесных центров. Измерения будут проводиться с использованием лазера на свободных электронах на созданной установке в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
2.1.4 Результаты измерений зависимости времен релаксации возбужденных состояний оптически возбуждаемых мелких доноров и акцепторов в кристалле германия от одноосной деформации сжатия. Измерения будут проведены с использованием лазера на свободных электронах в г. Новосибирск методом пробного импульса (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
2.1.5 Результаты измерений времен низкотемпературной релаксации оптически возбу-жденных дырок в двумерных структурах SiGe с селективно легированными квантовыми ямами акцепторами бора.
2.1.6 Результаты измерения методом пробного импульса зависимости от одноосной деформации сжатия кристалла низкотемпературных времен релаксации оптически возбуждаемых доноров фосфора в кремнии. Сравнительные данные с временами в кремниевых образцах, полученных методом нейтронного легирования.
2.1.7 Результаты измерений методом пробного импульса зависимости от одноосной деформации сжатия кристалла низкотемпературных времен релаксации оптически возбуждаемых акцепторов бора в кремнии.
2.1.8 Результаты измерений и анализ нелинейных эффектов влияния сильного высокочастотного поля волны (эффект Отлера-Таунса) излучения лазера на свободных электронах на энергии состояний и спектр поглощения мелких примесей в кристалле кремния.
2.1.9 Результаты измерения параметра насыщения в германии, легированном мелкими примесями методом спектроскопии насыщения и сравнение с методом пробного импульса.

2.2 Результаты, полученные немецким партнером
2.2.1 Экспериментальные установки:
2.2.1.1 Рабочая станция для экспериментов по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Рамановская спектроскопия) на базе лазера свободных электронах в Центре Гельмгольца в г. Дрезден (HZDR, FELBE).
2.2.1.2 Установка для неравновесной спектроскопии, в которой узкополосное терагерцовое излучение лазера на свободных электронах используется в качестве накачки, а качестве зондирующего излучения используется широкополосное излучение внутреннего источника Фурье спектрометра. Установка будет создана в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.1.3 Рабочая станция для неравновесной спектроскопии, в которой узкополосное терагерцовое излучение лазера на свободных электронах используется в качестве накачки, а качестве зондирующего излучения используется широкополосный сигнал короткой длительности (времяразрешенная терагерцовая спектроскопия) на базе Центра Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.2.4 Результаты Рамановской спектроскопии состояний мелких доноров V группы в кремнии на созданной установке в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.2.5 Результаты измерения методом Рамановской спектроскопии состояний мелких доноров V группы в одноосно деформированном кристалле кремния на созданной установке в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.7.2.6 Результаты измерений и анализ спектров поглощения с временным разрешением мелкими донорами V группы в кремнии, а так же изотопически чистом 28-Si, при резонансном возбуждении примесных центров излучением лазера на свободных электронах в Центре Гельмголца (HZDR, FELBE).
2.2.2.7 Результаты измерений и анализ спектров поглощения с временным разрешением мелкими акцепторами III Группы в кремнии при резонансном возбуждении примесных центров излучением лазера на свободных электронах в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.2.8 Результаты измерений и анализ спектров поглощения с временным разрешением двойными донорами в кремнии при резонансном возбуждении примесных центров излучением лазера на свободных электронах в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.2.9 Результаты времяразрешенной терагерцовой спектроскопии в квантовых ямах на основе полупроводников III-V групп при сильном внутриэкситонном и/или межподзонном возбуждении терагерцовым излучением лазера на свободных электронах в Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE).
2.2.2.10 Результаты измерений релаксации в легированном германии методом время-разрешенной спектроскопии при возбуждении лазером на свободных электронах.

3. Установка пробного импульса для ЛСЭ будет впервые создана в России.
Впервые будут проведены измерения времен релаксации методом пробного импульса для деформированного германия с различными параметрами - концентрация легирующей примеси и компенсация.

4. Планируемые результаты соответствуют мировому уровню [1-4].

1. B.N. Murdin, W.Heiss, C. J. M. Langerak, G.-C. Lee, I.Galbraith, G. Strasser, E.Gornik, M. Helm, and C.R. Pidgeon, Direct observation of the LO phonon bottleneck in wide GaAs/AlxGa1-x As quantum wells, Phys.Rev. B 55, 5171 (1997)
2. N.Q. Vinh, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, C.R. Pidgeon, P.T. Greenland, S.A. Lynch, G.Aeppli, and B.N. Murdin, Time-Resolved Dynamics of Shallow Acceptor Transitions in Silicon, Phys. Rev. X, 3, 011019 (2013).
3. P. T. Greenland, S. A. Lynch, A. F. G. van der Meer, B. N. Murdin, C. R. Pidgeon, B. Redlich, N. Q. Vinh & G. Aeppli, Coherent control of Rydberg states in silicon, Nature 465, 1057–1061 (24 June 2010) doi:10.1038/nature09112.
4. Hübers, H.-W., Pavlov, S. G., Lynch, S. A., Greenland, Th., Litvinenko, K. L., Murdin, B., Redlich, B., van der Meer, A. F. G., Riemann, H., Abrosimov, N. V., Becker, P., Pohl, H.-J., Zhukavin, R. Kh., Shastin, V. N. . Isotope effect on the lifetime of the 2p0 state in phosphorus-doped silicon. Phys. Rev. B, vol. 88, 035201 (2013).

5. Получение заявленных результатов предполагается вполне достижимым при условии сохранения поддержки.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть использованы различными научными коллективами, которые в последствии будут пользоваться созданными в рамках настоящего проекта рабочими станциями по измерению быстротекущих релаксационных процессов в различных средах методом пробного импульса, а так же различным спектроскопическим установкам, на базе лазеров на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН) и Центре Гельмгольца (HZDR, FELBE). Так же результаты полезны для развития источников стимулированного излучения на внутрицентровых переходах в мелких примесях в полупроводниках IV группы и быстрых широкополосных детекторов инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазона частот на основе кристаллического германия, легированного мелкими примесями.

2. Потребителями ожидаемых результатов могут являться:
1) пользователи Новосибирского ЛСЭ (ЦКП "Сибирский Центр Синхротронного и Терагерцового Излучения").
2) научные коллективы, ведущие исследования по близким направлениям, а также при исследовании других процессов (химических, биологических) с временами длиннее 50 пс.

Текущие результаты проекта:
1.1 Проведены патентные исследования
1.2. Выбрана оптимальная конфигурация, в частности оптической схемы установки, для измерения быстро протекающих процессов методом пробного импульса на ЛСЭ в г. Новосибирск.
1.3. Проведено нейтронного легирования до требуемых на данном этапе концентраций образцов объемного германия галлием и кремния фосфором методом ядерной трансмутации на источнике тепловых нейтронов в научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова (филиал в г. Обнинск).
1.4. Разработаны технологические условия получения нейтронно-легированных образцов кремния и германия
1.5 Сделан аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках научных исследований
1.6 Разработана оптимальная конфигурация рабочей станции по Рамановской спектроскопии на базе ЛСЭ в г. Дрезден (FELBE).
1.7. Разработана оптимальная конфигурация станции по нелинейной спектроскопии на базе ЛСЭ в г. Дрезден (FELBE).
1.8. Изготовлены исследуемые образцы (легированные мелкими донорами и акцепторами кристаллов кремния и германия), а так же изготовлены образцы кристаллического германия, на основе которого будут изготовлены приемники ТГц излучения, которые будут использованы на лазерах на свободных электронах в Новосибирске и Дрездене.
1.9. Участие в выборе оптимальной конфигурации рабочей станции для измерения быстро протекающих процессов методом пробного импульса на ЛСЭ в г. Новосибирск.