Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 6

В результате ТГц излучение имеетзначительные перспективы применения для обнаружения опасных илизапрещенныхвеществ[67,72],биологическогозондирования[73],диагностики и лечения заболеваний в медицине [74,75]. Более того, эта полоса35частот имеет особое значение для спектроскопии в астрофизике [76], так какмногие астрофизические объекты излучают в ТГц диапазоне спектра.Кроме того, ТГц технология является перспективной для систембеспроводной связи [77] в качестве дополнительной технологии дляпередатчиковиприемников,работающихввысокочастотномимикроволновом диапазонах, поскольку она потенциально может увеличитьскорость передачи данных в сотни раз.Однако существует много ограничений, препятствующих массовомуиспользованиюТГц-антенн.Несмотрянасуществованиенекоторыхпрепятствий (таких, как сильное поглощение ТГц волн металлами и водой) напути к реальному применению беспроводной ТГц технологии для увеличенияполосы пропускания мега- и гигагерцовых частотных устройств, ужедостигнут значительный прогресс [78].

Кроме того, создание новыхматериалов позволяет улучшать чувствительность и эффективность генерацииТГц излучения.1.3.1. Интерфейсные напряжения границы раздела активного слояфотопроводящей антенны как способ улучшения их свойств.Какбылопоказановыше,длягенерацииидетектированиятерагерцевого излучения могут быть использованы фотопроводящие антенны(ФПА) на основе полупроводниковых материалов.

Такие материалы должныобладать либо малым временем релаксации импульса фотовозбуждённыхносителей заряда, либо их малым временем жизни. К первому типуматериалов относится бездефектные монокристаллические плёнки GaAs [79],а ко второму – плёнки GaAs, выращенные методом молекулярно-лучевойэпитаксии при пониженной температуре подложки (low-temperature GaAs, LTGaAs) [80].Пониженная температура роста приводит к тому, что реиспарениемышьяка с поверхности растущей плёнки подавлено, и она захватывает до361.5 ат.% избыточного мышьяка (в то время, как в стехиометрическомсоединении GaAs атомов Ga и As ровно по 50%) [81–83].

Вследствие этогоплёнка LT-GaAs обладает высокой, порядка 1020см–3, концентрациейантиструктурных дефектов AsGa (атом As в узле атома Ga) [84]. В заряженном+эти дефекты действуют как ловушки для электронов, и темсостоянии AsGaсамым обеспечивают крайне малое время жизни фотовозбуждённыхэлектронов (менее пикосекунды).+материал LTДля увеличения концентрации заряженных дефектов AsGaGaAs легируют акцепторной примесью (как правило, бериллием) [84]. Вработах[85,86]показано,чтоструктурыLT-GaAs:Beмогутбытьиспользованы в оптоэлектронных устройствах терагерцевого диапазоначастот, причём такие устройства имеют лучшие параметры по сравнению сустройствами на базе нелегированного LT-GaAs. Однако из-за высокойтоксичности Ве его использование при молекулярно-лучевой эпитаксии(МЛЭ) в последнее время снижается и мало распространено в промышленномпроизводстве, поскольку требует дополнительных мер безопасности.

Крометого, наличие в установке МЛЭ источника Ве приводит к повышению фоновойпримеси р-типа, что отрицательно сказывается в дальнейшем на качествевыращиваемых в ней гетероструктур n-типа (например, HEMT-гетероструктурс высокой подвижностью электронов).Хорошо известно, что кремний проявляет ярко выраженные амфотерныесвойства как легирующая примесь в эпитаксиальных плёнках GaAs,выращенных на подложках GaAs с кристаллографической ориентацией (111)Aпри стандартных температурах роста (500–600 °С). В этом случае, меняясоотношение потоков мышьяка и галлия на подложке GaAs (111)A, можновырастить легированные кремнием слои GaAs как с n-, так и с р-типомпроводимости [87].Методика δ-легирования кремнием пленок GaAs используется приразработке и создании полевых транзисторов [88] и электронных схем памяти37[89].

В GaAs с δ-слоем электроны образуют двумерный (2D) электронный газв плоскости δ-слоя. Некоторые исследователи предприняли попытку понятьмеханизмы электрического транспорта в GaAs [90,91]. Так как постояннаярешетки Si (5.43A˚) меньше, чем постоянная решетки GaAs (5.65A˚), слои с δ–легированием испытывают растягивающие напряжения относительнойвеличиной около 4%. Это приводит к появлению дислокационныхобразований в структуре, число которых становится существенным уже притолщине δ -слоя порядка трех монослоев [92,93]. Такие дефекты образуютлокализованные уровни в примесной зоне.

С понижением температуры этилокализованные уровни захватывают некоторые из носителей. В этом случаепроводимость материала определяется проводимостью примесной зоны. Есликонцентрация носителей (n) ниже концентрации перехода металл-диэлектрик(nc), проводимость является, в основном, прыжковой проводимостью впримесной зоне, тогда как для n > nc она носит название «металлической»проводимости [96].Результаты исследования в работе [96] показали, что дислокационноерассеяние, вызванное δ-слоями Si, оказывает сильное влияние на переносэлектронов в исследованных образцах с концентрацией дислокаций7,8 × 108 cм −2 даже при высоких температурах.Аналогичные исследования по изучению влияния эпитаксиальныхнапряженийизучалосьнавэффективностьработекристаллографических[97].свойствоптико-терагерцевогоБылопоказанопреобразованиясущественноефотопроводящихслоеввлияниеLT-GaAsнахарактеристики генерации и детектирования терагерцевых волн.

Известно, чтоважными факторами для эффективной ТГц-генерации является высокаяфотовозбудимая подвижность носителей и наличие кластеров As в LT-GaAs.Для детектирования существенными факторами являются короткое времяжизни носителя и отсутствие поликристаллической структуры в LT-GaAs.Оптимизируя эти физические свойства, в работе [97] был улучшен общий38динамический диапазон генерации и детектирования ТГц на 15дБ посравнению с обычной коммерчески доступной фотопроводящей антенны(ФПА).Рисунок 10.

Изображение,электронноймикроскопии,полученноеструктурыметодомтонкихпросвечивающейпленокLT-GaAs,оптимизированных для ТГц-генератора (а) и ТГц-детектора (б) [97].На рисунке 10 показаны результаты сканирования просвечивающимэлектронным микроскопом пленок LT-GaAs, оптимизированных для ТГцгенератора (выращены на буферном слое GaAs) (а) и ТГц-детектора(выращены на буферном слое AlGaAs) (б). В LT-GaAs, оптимизированном дляТГц- генератора, плотность кластеров As была низкой и их размер былнебольшим (порядка 1нм). Пленки LT-GaAs, оптимизированные для ТГцдетектора, характеризовались более высокой плотностью и бόльшим размеромкластеров As. Это означает, что время жизни носителей было больше, когдакристалличность LT-GaAs была выше [97].

Кроме того, рентгеновскиерезультатыпоказалиповерхностнуюкристалличностьLT-GaAs.Кристалличность оптимального LT-GaAs была высокой для ТГц-генератора инизкой для ТГц-детектора.Такимобразом,кристаллографическихпродемонстрированохарактеристик39пленоккритическоевлияниеиLT-GaAsGaAs(дислокационногорассеяния,размераиконцентрациикластеров,легирование) на эффективность ТГц-антенн. Однако практически нет работ поизучению влияния кристаллографического среза подложки GaAs (исвязанного с этим эпитаксиального напряжения), а также влияние δ - слоев Siв составе плёнок LT-GaAs на свойства ФПА.1.3.2. Принципы работы ТГц фотопроводящих антеннОдним из физических механизмов, лежащих в основе генерации ТГцволн, является ускоренное движение носителей заряда в поверхностном полеполупроводника при облучении сверхкороткими импульсами света – эффектДембера [67,92].

Эффект заключается в формировании под воздействиемнакачки в полупроводнике электрического поля (а, следовательно, и диполязаряда) из-за разности скоростей диффузии электронов и дырок [93] присильномпоглощенииоптическоговозбуждения,чтоприводиткэффективному разделению зарядов в направлении, перпендикулярномповерхности полупроводника [98].Другой возможный способ генерации ТГц волн — оптическоевыпрямление — работает, когда в нелинейной среде второго порядка подвоздействием интенсивного оптического излучения возникает нелинейнаяполяризация, модуляция которой повторяет форму огибающей оптическогоимпульса [99].

Аналогичный эффект возникает в случае четырехволновогосмешения в нелинейности третьего порядка, например, при генерации ТГц спомощью двухцветной лазерной плазмы [100].Помимо этих хорошо зарекомендовавших себя методов, появилисьновые подходы нанофотоники к генерации ТГц, которые используютискусственную электромагнитную среду (метаматериалы и метаповерхности)[101,102], а также новые типы материалов например, графен [103] илиполупроводниковые структуры с искусственно созданными эпитаксиальныминапряжениями [104–107].40В настоящее время существует множество различных подходов кгенерации ТГц в самых разнообразных форматах и с использованиемразличных материалов. Однако для практического применения наиболеешироко используется метод возбуждения неравновесных носителей заряда вприповерхностном слое полупроводниковых структур сверхкороткимиоптическими импульсами.

На рисунке 11 показана простейшая схема длягенерации субмиллиметровых волн в фотопроводящих антеннах на основеполупроводников (LT-GaAs).Вкачествеисточникаизлучениянакачки,обеспечивающегонеобходимую форму огибающей оптического импульса, чаще всегоиспользуется фемтосекундный лазер, обычно на основе кристалла Ti: Sapphire[108]. Кремниевая линза, показанная на рисунке 11, служит для сбора иколлимирования генерируемого ТГц-излучения [109] и одновременно дляотвода избытка тепла от подложки. Кроме того, она работает какантиотражающий элемент, так как показатель преломления Si в диапазоне THzравен nSi = 3,4 [110], что примерно столько же, как у высокоомного GaAs (nGaAs≈ 3,6) [110].Рисунок 11.

Схематическое изображение установки генерации ТГцфотопроводящей антенны с приложением напряжения смещения Eсмещ.41При облучении импульсами фемтосекундного лазера с энергиейфотонов,превышающейширинузапрещеннойзоны,концентрациянеравновесных носителей заряда в LT-GaAs быстро возрастает, а электроннодырочные пары формируются в приповерхностном слое.Локализациязарядоввприповерхностномслоеприводитквозникновению так называемого встроенного поля. Светоиндуцированныеэлектроны и дырки ускоряются и разделяются этим полем, и полученное врезультате неравномерное распределение заряда можно рассматривать какдипольсдипольныммоментом,равнымсуммеимпульсоввсехиндуцированных зарядов в объеме.

Дипольные колебания происходят до техпор, пока не установится равновесие. Во время релаксации электроныизлучают энергию в форме электромагнитных волн в ТГц диапазоне, и времярелаксации определяет, как спектр, так и мощность генерируемого излучения.Встроенное поле вблизи поверхности играет очень важную роль в этомпроцессе. Чем сильнее это поле, тем интенсивнее ТГц сигнал. Посколькугенерация происходит вблизи границы раздела воздух-полупроводник,большая часть излучения ТГц излучается в подложку благодаря более высокойоптическойплотностиGaAsпосравнениюсвоздухом.Поэтомувысоколегированные полупроводниковые материалы не подходят дляэффективных фотопроводящих антенн из-за их повышенного поглощения вобласти ТГц спектра [110].

С другой стороны, легирование образцаувеличивает концентрацию фотоиндуцированных электронно-дырочных пар,что, в конечном счете, увеличивает ток и, следовательно, мощность излученияТГц. Разумный компромисс между этими конкурирующими факторами (тоесть более высоким поглощением по сравнению с более высоким током)существенно улучшит эффективность генерации.К сожалению, процесс генерации ТГц на поверхности полупроводникаиз-за ускоренного движения неравновесных носителей заряда, вызванныхимпульсами фемтосекундного лазера и возбуждаемых приповерхностным42полем полупроводника, обладает недостаточно высокой эффективностьюпреобразования оптического излучения в терагерцевое. Для увеличенияэффективности такого преобразования на поверхность пленки наносятсяметаллические электроды (обычно сплав никель-золото-платина).