Когерентность и релаксация оптически возбуждаемых состояний кулоновских центров в полупроводниках

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-20163

НазваниеКогерентность и релаксация оптически возбуждаемых состояний кулоновских центров в полупроводниках

Руководитель Шастин Валерий Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова донор, германий, акустические фононы, накачка-зондирование, осцилляции Рамсея, фотонное эхо, время жизни, одноосная деформация, молекулярно-лучевая эпитаксия

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование возможности создания принципиально новых полупроводниковых устройств, в основе которых лежат квантовые оптически управляемые когерентные состояния, является критически важным для дальнейшего развития квантовых технологий. Большое внимание уделяется кулоновским центрам легирования (обычно донорам) в таких наиболее изученных полупроводниках как кремний и германий. В основном речь идет о разработке элементов квантовых информационных систем, таких как спиновые кубиты и устройства считывания и записи информации, использующие орбитальные состояния кулоновских центров, в том числе и возбужденные. Самостоятельный интерес вызывают также исследования квантовых затворов, одноатомных транзисторов, механизмов управления одних центров легирования (например, доноров) другими через возбужденные состояния Ридберга (дипольная блокада ридберговских центров), эффектов когерентного излучения на внутрицентровых переходах. Во многих случаях искомый результат зависит от времен жизни населенности T1 и времен распада когерентности T2 (декогеренции) рассматриваемых орбитальных состояний, и для положительного результата обычно требуется, чтобы эти времена были достаточно большими. Следует отметить, что больший радиус состояний кулоновских центров и меньший темп релаксации этих состояний при использовании таких схем на основе архитектуры Кейна дают преимущество германию. В настоящее время исследованию кинетики низкотемпературной релаксации возбужденных состояний доноров в кремнии и германии уделяется большое внимание. Важным шагом в таком направлении стало измерение времен жизни и декогеренции 2p0 и 2p± состояний доноров фосфора в кремнии с энергией связи этого центра ~ 45,6 мэВ. В этих работах в дополнении к методу пробного импульса (метод накачка-зондирование, pump-probe technique), который применяется для измерения времен жизни населенности T1, были использованы методики фотонного эха и осцилляций Рамсея (Ramsey fringes), которые позволили дать экспериментальную оценку (~160 пс) длительности когерентного состояния донора T2, что в пределах точности измерений совпало с T1. Отметим, что все измерения выполнялись на импульсном (длительность импульса ~10 пс) лазере на свободных электронах (FELIX, Голландия) в диапазоне частот излучения 8,2 ТГц (34,1 мэВ) и 9,5 ТГц (39,2 мэВ) соответствующих переходам в отмеченные выше состояния из основного состояния 1s(A1). Целью данного проекта является проведение измерений времен жизни и декогеренции 2p0 и 2p± состояний в германии. Такие измерения будут сделаны на базе лазера на свободных электронах (NovoFEL) в Новосибирске, ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (объект инфраструктуры - Комплекс уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН для проведения исследований и разработок с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц, высокотемпературной плазмы, синхротронного и терагерцового излучения). Планируется сопроводить низкотемпературные измерения времен релаксации с использованием излучения NovoFEL теоретическими расчетами темпов релаксации указанных состояний на внутридолинных и междолинных переходах с излучением фононов. Будут рассмотрены и другие количественные параметры (включая неоднородное уширение электронных состояний и длительность импульсов излучения NovoFEL, которая близка к 100 пс), определяющие возможность наблюдения и особенности развития осцилляций Рамсея и фотонного эха. Из предварительных теоретических оценок следует, что времена релаксации населенности рассматриваемых состояний в германии в разы превышают таковые для кремния, что связано с отличиями состояний доноров из-за различной структуры зоны проводимости обоих полупроводников. Первые обнадеживающие результаты были получены для Ge:Sb в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН на установке по измерению времен релаксации методом «pump-probe», которая была создана при активном участии авторов проекта. Измеренное время релаксации Т1 состояния 2p± в германии с примесью Sb составила ~2 нс. В текущем проекте станция будет преобразована с учетом измерения осцилляций Рамсея и фотонного эха. Такая модификация значительно расширит возможности установки и спектр решаемых на ней задач. Различие между энергетическими спектрами мелких доноров в германии состоит в положении энергии основного уровня (10.45, 12.88 и 14.18 мэВ для Sb, P и As, соответственно), в то время как группа возбужденных состояний практически идентична. Для двойных доноров (Te, Se) энергия залегания основных состояний еще больше (93 и 268 мэВ соответственно) при сравнимых энергиях возбужденных состояний. Это ведет к различию в скоростях релаксации как на количественном, так и на качественном уровне, включающем изменение механизмов релаксации с участием акустических фононов, в том числе междолинных. Очевидно, что необходимо различать потерю когерентности состояний (время T2), связанную с неоднородным уширением энергии этих состояний в ансамбле доноров и ту, которая отражает поведение одиночного центра. В первом случае время когерентности может быть заметно короче второй и позволяет обратить фазы осцилляторов при оптическом возбуждении ансамбля доноров “π” импульсом в эффекте фотонного эха. Поэтому измерения будут проводиться с использованием трех оптических методов в диапазоне длин волн 90–220 мкм (14–5 мэВ). Методом пробного импульса будут получены экспериментальные данные по временам жизни населенности отмеченных 2p состояний, а измерения времен когерентности, связанные с неоднородным уширением спектра энергий состояний донора, будут получены методами интерференции Рамсея и фотонного эха. Будет рассмотрено также влияние одноосной деформации сжатия кристалла на времена Т1 и Т2 доноров в германии. Все необходимые измерения спектров состояний доноров будут выполнены методом Фурье-спектроскопии поглощения и фотопроводимости. Так как для последующей интеграции к кремний-германиевую технологию необходим переход к планарным структурам, то экспериментальная часть предполагает исследование эпитаксиальных легированных слоев, в том числе, выращенных на виртуальных подложках для создания внутренних напряжений. Имеющийся научный задел участников проекта по теоретическим и экспериментальным исследованиям релаксационных механизмов в полупроводниках, а также опыт работы с использованием излучения целого ряда лазеров на свободных электронах (FELBE (Германия), FELIX (Нидерланды), NovoFEL (Россия)) позволят реализовать планы проекта и получить новые научные результаты, соответствующие мировому уровню.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин Внутрицентровая релаксация мелких доноров сурьмы в деформированном германии Физика и техника полупроводников, том 53, вып. 10, c.1372 (год публикации - 2019)
10.21883/FTP.2019.10.48292.38

2. Р.Х.Жукавин, К.А.Ковалевский, Ю.Ю.Чопорова, В.В.Цыпленков, В.В. Герасимов, П.А.Бушуйкин, Б.А.Князев, Н.В.Абросимов, С. Г.Павлов, Г.-В.Хьюберс, В.Н.Шастин Времена релаксации и инверсия населенностей возбужденных состояний доноров As в германии Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 10, с. 677 – 682 (год публикации - 2019)
10.1134/S0370274X19220077

3. Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Чопорова Ю.Ю., Герасимов В.В., Цыпленков В.В., Князев Б.А., Павлов С.Г., Абросимов Н.В., Хьюберс Г.-В., Шастин Н.В. Relaxation Times of Arsenic Excited Donor States in Germanium IEEE, International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2019-September,8873886 (год публикации - 2019)
10.1109/IRMMW-THz.2019.8873886

4. Цыпленков В.В., Шастин В.Н. О возможности интерференции Рамсея в германии, легированном мелкими примесями Физика и техника полупроводников, ФТП, том 54, вып. 8, стр. 807 (2020) (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.08.49630.06

5. А.А. Ревин, А.М. Михайлова, А.А. Конаков, В.Н. Шастин Электронные состояния доноров V группы в германии: вариационныйрасчет с учетом короткодействующего потенциала Физика и техника полупроводников, том 54, вып. 9, 938 (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.09.49836.30

6. К.А. Ковалевский, Ю.Ю. Чопорова, Р.Х. Жукавин, Н.В. Абросимов, С.Г. Павлов, H.-W. H ̈ubers, В.В. Цыпленков, В.Д. Кукотенко, Б.А. Князев, В.Н. Шастин Релаксация возбужденных состояний мышьякав деформированном германии Физика и техника полупроводников, том 54, вып. 10, стр. 1145 (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.10.49959.41

7. Жукавин Р.Х., Ковалевский К.А., Чопорова Ю.Ю., Цыпленков В.В., Павлов С.Г., Абросимов Н.В., Бушуйкин П.А., Дессман Н., Князев Б.А., Хьюберс Х.-В., Шастин В.Н. The relaxation times of donor bound electrons in germanium AIP Conference Proceedings, AIP Conference Proceedings 2299, 030006 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/5.0030450

8. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин Междолинные процессы релаксации состояний мелких доноров в германии ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Физика и техника полупроводников, 2021, том 55, вып. 9, c. 807 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.09.51298.28

9. Ревин А.А., Михайлова А.М., Конаков А.А., Цыпленков В.В., Шастин В.Н. Долинно-орбитальное взаимодействие в германии, легированном донорами V группы: количественный анализ ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Физика и техника полупроводников,том 55, вып. 10, 901 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.10.51441.40

10. Р.Х. Жукавин Терагерцовое стимулированное излучение при оптическом резонансном возбуждении германия, легированного мелкими донорами ФТИ им. А.Ф.Иоффе, Физика и техника полупроводников, том 55, вып. 9, 729 (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.09.51285.12

11. В.В. Цыпленков, В.Н. Шастин Фотонное эхо в германии с мелкими донорами ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Физика и техника полупроводников, 2022, том 56, вып. 8, с. 728 (год публикации - 2022)
10.21883/FTP.2022.08.53136.22

12. Р. Х. Жукавин, П. А. Бушуйкин, В. В. Кукотенко, Ю. Ю. Чопорова, Н. Дессманн, К. А. Ковалевский, В. В. Цыпленков, В. В. Герасимов, Б. А. Князев, Н. В. Абросимов, В. Н. Шастин Обнаружение осцилляций Рамсея в германии, легированном мелкими донорами, при возбуждении перехода 1s-2p0 Письма в ЖЭТФ, 116, 3, 139-145 (год публикации - 2022)
10.31857/S123456782215002

13. Р.Х. Жукавин, П.А. Бушуйкин, В.Д. Кукотенко, Ю.Ю. Чопорова, Н. Десман, К.А. Ковалевский, В.В. Цыпленков, В.В. Румянцев, Н.Д. Осинцева, В.В. Герасимов, Д.В. Шенгуров, Б.А. Князев, Н.В. Абросимов, В.Н. Шастин Ramsey fringes in germanium doped with arsenic donors Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, v. 87, issue 6 (2023) (год публикации - 2023)

Публикации