Например, Бобцов

Многофотонная генерация электрон-дырочных пар в кристаллах с глубокими примесями. II. Каскадные процессы

УДК 535.14
МНОГОФОТОННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОН-ДЫРОЧНЫХ ПАР В КРИСТАЛЛАХ С ГЛУБОКИМИ ПРИМЕСЯМИ. II. КАСКАДНЫЕ ПРОЦЕССЫ1

© 2011 г.

Р. С. Левицкий, канд. физ.-мат. наук; Е. Ю. Перлин, доктор физ.-мат. наук; А. А. Попов Центр “Информационные оптические технологии” СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург Е-mail: eyperlin@mail.ru

Рассмотрена генерация неравновесных электрон-дырочных пар в широкозонных кристаллах за счет каскада двухфотонных переходов “валентная зона–глубокая примесь” и “глубокая примесь–зона проводимости”. Составлены и решены уравнения баланса для населенностей электронов и дырок в зонных и примесных состояниях. Предложенный механизм даже в случае умеренных концентраций глубоких примесей и частот света, меньших четверти ширины запрещенной зоны кристалла, позволяет получить заметную концентрацию свободных носителей при интенсивностях возбуждающего света j ≈ 100 МВт/см2.

Ключевые слова: двухфотонные переходы, глубокие примесные центры, каскадные переходы.

Коды OCIS: 190.4180, 190.7220, 190.4720.

Поступила в редакцию 13.01.2011.

1. Введение
Процессы генерации сильным низкочастотным светом неравновесных электрон-дырочных пар (ЭДП) в полупроводниках и диэлектриках изучены к настоящему времени весьма по­ дробно. Однако в тех случаях, когда при относительно умеренных интенсивностях света с энергией кванта ћω >  Nc, Nv, то при умеренных интенсивностях света количество неравновесных электронов, образовавшихся за счет ДФП “примесь−зона проводимости”, намного превосходит число неравновесных дырок. Последние могут образоваться за счет ДФП “валентная зона−примесь” лишь

после того, как примесное состояние освобо­ дится благодаря переходам на верхней ступени каскада. В  области высоких интенсивностей света концентрации неравновесных электронов и дырок практически всегда в рассматриваемой модели совпадают.
В случае заполненных двухуровневых центров уже при малых интенсивностях света н­ ижнее примесное состояние освобождается за счет однофотонных переходов в верхнее состояние. Кроме того, при выбранных значениях параметров сечение ДФП “валентная зона−нижний примесный уровень” несколько превосходит сечение ДФП “верхний примесный уровень–зона проводимости”. Поэтому при умеренных значениях j число неравновесных дырок значительно превосходит число неравновесных электронов.
4. Заключение
Проведенный в работе анализ показал, что рассмотренный многофотонно-каскадный механизм, начиная с концентраций глубоких примесных центров ni  ≈  1016−1017  см−3, может при типичных значениях параметров зонной структуры широкозонных диэлектриков или полупроводников приводить к генерации большего количества неравновесных электрондырочных пар, чем “обычные” прямые четырех- или пятифотонные межзонные переходы. В отличие от эффекта многофотонной лавины рассмотренный механизм не характеризуется какой-либо пороговой интенсивностью возбуждающего лазерного излучения. При высоких концентрациях примесей ni  ≥  1018  см−3 существенный вклад в генерацию ЭДП могут дать процессы передачи энергии возбуждения между различными примесными центрами. ­Исследованию этих процессов будет посвящена отдельная публикация.
Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы” (проекты 2.1.1/9200, 9653) и РФФИ (грант 09-02-00223).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Межзонные каналы для двухфотонных переходов “зона–примесь”  
в случае одноуровневых центров
Вероятность ДФП между валентной зоной v и
примесным состоянием с энергией Eλ имеет вид

“Оптический журнал”, 78, 9, 2011

17

òWvkv ,

λ

=

2p 

Ω (2p)3

dkv

Mvkv, λ

2δçèçæççEg

-



+

2k2v 2mv

- 2ω÷÷øö÷÷,

(П1)

где Mvkv, λ − составной матричный элемент процесса второго порядка по полю электромагнитной волны, Eλ – энергия примесного состояния, отсчитанная от дна зоны проводимости, Ω  – нормировочный объем.

Фейнмановские диаграммы, соответствующие дополнительным (по сравнению с [23]) каналам процесса второго порядка, приведены на рис. 9.
Для составного матричного элемента пере­ хода имеем

( )Mvkv, λ = êëéVvñVñλ - Eg - 2kv2/(2mr ) + ω + VvvVvλ ωúûù.

(П2)

Здесь Vij – матричные элементы оператора взаимодействия электронной системы с полем
электромагнитной волны He–ph  =  eA⋅p/(mc), где A  – вектор-потенциал электромагнитной волны, p  – оператор импульса электрона, c  – скорость света, e и m – заряд и масса свободного
электрона, mr  – приведенная масса электрона и дырки (mr = mcmv/(mc + mv)). Имеем:

Vvv

=

-

e mvc

(A

×

kv

),

Vvñ

=

eA× pcv mc

,

(П3)

Vvλ =

=

eNλ mcΩ1/2

ççæçèçççççççç


2kv2 2mc

pcv + Eλ

-

-

m mv

(A× kv )

Eg

-

2kv2 2mv

+



øö÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷,

(П4)

Vñλ =

=

m

eNλ cΩ1/2

ççççççççèçççæ

m mñ

(A×kv

)

2kv2 2mc

+



+

-

Eg

A×pcv

-

2kv2 2mv

+



÷÷÷÷ø÷÷÷÷ö÷÷÷÷.

(П5)

Коэффициенты Nλ определяются формулой (7) , приведенной в первой части нашей работы [23].
Полученные выражения подставим в (П1) и, после интегрирования по углу между векто-

c vv v A1

рами A и kv, выполним с помощью δ-функции интегрирование по kv. В  итоге для вклада дополнительных каналов в вероятности ДФП “­ валентная зона–примесь” получим

Wvλ

=

4 A4e4k0v Nλ2 15c4m4mv pβ2c ω2 3

´

´

ïïïîìïí5kv2m(22Epc2λv

(mcβc + mvω)2 mc + kv22)2

+

(П6)

+

15mv4

pc4vω2 +10k02vm2mv2 pc2vβcω + 3k04vm4β2c 2 (-2 Eλ mv + 2 Eg mv + k02v2)2

ýþïüïïïï,

Здесь

A=

8pcj ε¥ ω2

,

kv

=

1 

2mv∆v ,

βc = γ∆ + Eλ + ω,
( )∆v = Eλ - Eg + 2ω , γ = mv mc ,

(П7)

j – интенсивность света, ε∞ − высокочастотная диэлектрическая проницаемость. Аналогичным образом вычисляется вероятность двухфотонного перехода “примесь–зона прово-­ димости”

Wλñ

=

4 A4e4kcNλ 15c4m4mc pβ2c ω2

3

´

´íïîìïïïï(-25kEc2λmm2 vpc2+v (2mEvβgcm-vm+cωk02c)22)2 +

(П8)

+

15mc4

pc4v

ω2

-10kc2m2mc2 pc2vβcω (2 Eλ mc + k02c2)2

+

3k04cm4β2c

2

ïïýüïïþ,

Рис. 9. Фейнмановские диаграммы для ма-

( )тричного элемента двухфотонного перехода

v → λ: сплошные линии со стрелками – элект­

роны, волнистые линии – фотоны.

*

*

*

k0c

=

1 

**

2mc∆c , βñ = Eg - ω + 1+ γ-1 ∆c,
∆c = (2ω - Eλ ).

(П9)

18 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011

Литература
  1. Днепровский В.С., Клышко Д.Н., Пенин А.Н. Фотопроводимость диэлектриков под действием излучения лазера // Письма в ЖЭТФ. 1964. Т. 3. № 10. С. 385–389.
  2. Асеев Г.И., Кац М.Л., Никольский В.К. Многофотонное возбуждение фотопроводимости в щелочногалоидных кристаллах лазерным излучением // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 8. № 4. С. 174–177.
  3. Catalano I.M., Cingolano A., Minafra A. Multiphoton transitions in ionic crystals // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. № 4. P. 1629–1632.
  4. 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 диэлект­ риках (Труды ИОФАН; Т. 4). М.: Наука, 1986. C. 99–184.
  5. Jones S.C., 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. 894–897.
  6. Joubert M.-F. Photon avalanche upconversion in rare-earth laser materials  // Optical Materials. 1999. V.  11. P. 181–212.
  7. Перлин Е.Ю., Ткачук А.М., Joubert M.-F., Moncorge R. Каскадно-лавинная up-конверсия в кристаллах YLF:Tm3+. // Опт. и спектр. 2001. Т. 90. № 5. С. 772–781.
  8. Перлин Е.Ю. Фотонная лавина в легированной квантовой яме // Опт. и спектр. 2001. Т. 5. № 5. С. 777–783.
  9. Perlin E.Yu. Photon Avalanche Effect in Doped Quantum Wells // J. Luminescence. 2001. V. 94–95. P. 249–253.
10. Перлин Е.Ю., Иванов А.В., Левицкий Р.С. Каскадно-лавинная генерация электрон-дырочных пар в квантовых ямах типа II // ЖЭТФ. Т. 123. № 3. С. 612–624.
11. Перлин Е.Ю., Левицкий Р.С. Фотонная лавина в легированных квантовых ямах: ап-конверсия и эффект ­переключения // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 1. С. 3–11.
12. 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. № 1. С. 12–21.
13. 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. № 2. С. 3–8.
14. Перлин Е.Ю., Федоров А.В., Кашевник М.Б. Многофотонное междузонное поглощение с участием свободных носителей в кристаллах // ЖЭТФ. 1983. Т. 85. № 4. С. 1357–1365.
15. Данишевский А.М., Перлин Е.Ю., Федоров А.В. Многофотонное поглощение с участием свободных элект­ ронов и фононов в n-InAs // ЖЭТФ. 1987. Т. 93. № 4. С. 1319–1328.
16. Иванов А.В., Перлин Е.Ю. Многофотонные межзонные переходы с участием фотовозбужденных свободных носителей // Опт. и спектр. 2006. Т. 100. № 1. С. 69–74.
17. Перлин Е.Ю., Иванов А.В., Левицкий Р.С. Предпробойная генерация неравновесных электрон-дырочных пар: эффект многофотонной лавины // ЖЭТФ. 2005. Т. 128. № 2 (8). С. 411–421.
18. Перлин Е.Ю., Иванов А.В., Левицкий Р.С. Новый механизм предпробойной генерации электрон-дырочных пар в кристаллах: эффект многофотонной лавины // Изв. РАН, сер. физ. 2005. Т. 69. № 8. С. 1129–1131.
19. Перлин Е.Ю. Многофотонная генерация электрон-дырочных пар в квантовой яме // Опт. и спектр. 1997. Т. 82. № 2. С. 259–265.
20. Ганичев С.Д., Ивченко Е.Л., Емельянов С.А., Перлин Е.Ю., Терентьев Я.В., Федоров А.В., Ярошецкий  И.Д. Многофотонное поглощение в полупроводниках в субмиллиметровом диапазоне  // ЖЭТФ. 1986. Т.  91. № 4. С. 1233–1248.
21. Minasian H., Avetisyan S. Multiphoton absorption of intense electromagnetic laser radiation in narrow gap semiconductors // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. № 2. P. 963–966.
22. Перлин Е.Ю., Иванов А.В. Нелинейное поглощение субмиллиметрового излучения в квантовых ямах  // Опт. и спектр. 1999. Т. 87. № 1. С. 42–47.
23. Левицкий Р.С., Перлин Е.Ю., Попов А.А. Многофотонная генерация электрон-дырочных пар в кристаллах с глубокими примесями. I. Вероятности двухфотонных переходов “зона–примесь” // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 10. С. 3–9.

“Оптический журнал”, 78, 9, 2011

19