Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 7

В этомслучае индуцированное внешним напряжением электрическое поле в зазоремежду электродами действует на фотогенерируемые носители, что в своюочередь усиливает эффективность генерации ТГц волн [111].Механизм усиления генерации ТГц в этом случае заключается вследующем. Под воздействием лазерного импульса в приповерхностном слоеобразуются электронно-дырочные пары. Как следствие, проводимостьполупроводника возрастает пропорционально концентрации электронов идырок:=σ qne µe + qn p µ p , где q -элементарный заряд, ne , n p - концентрацияэлектронов и дырок, и µe , µ p - мобильность электронов и дырок.

Увеличениепроводимостиприводитфотоиндуцированныхкпоявлениюзарядов,гигантскогоэлектроновидырок,импульсатокаускоренныхвпротивоположных направлениях внешним электрическим полем в зазоре.Ускорение носителей заряда внешним полем Eсмещ в этом случае может бытьописано дифференциальным уравнением [111]:dυe, pdtυτ eff=− e, p +qEme, p(4)где υe, p - скорость дрейфа электронов и дырок, me, p - масса электрона и дырки,τ eff - время релаксации неравновесных носителей заряда в полупроводнике,E - локальное поле. Локальное поле связано с Eсмещ следующим соотношением:=E Eсмещ −Pαε 0, где α - статическая диэлектрическая восприимчивостьполупроводника, ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума,P-поляризация, обусловленная разделением электронов и дырок.

Временная43эволюция поляризации может быть описана при помощи следующегонеоднородного дифференциального уравнения [111]:J (=t)dPP+dt τ рек(5)где τ рек - время рекомбинации электронов и дырок, J - плотность токов наповерхности полупроводника. Таким образом, из выражений (4) и (5) с учетомвыражения для плотности тока и уравнений Максвелла получим выражениедля интенсивности генерации ТГц-излучения:t υe ,h( )2 qA   nqP ∆t() EТГц ( z , t ) =nenEυ−−++−+− 0смещ4πε 0c 2 z   τ tmταε0 e ,h rel(6)где A - площадь зазора, n - плотность носителей, с - скорость света, Δt - времявозбуждения лазерного импульса, которое обычно составляет от 30 до 150 фс,n0 - начальная плотность носителей, τt - время улавливания носителей, котороезависит от температуры роста LT-GaAs υe,h - средняя скорость носителей, τ rel- время импульса, которое составляет около 30 фс в LT-GaAs.

Таким образом,внешнее поле увеличивает энергию носителей заряда и, следовательно,выходную мощность ТГц излучения, не влияя при этом на спектральныехарактеристики, так как они определяются временем жизни электронов идырок [111].В работе [112] было замечено, что различная длина волны накачкиможет влиять на выходную мощность. Кроме того, существуют два вариантадля накачки фотопроводника: равномерное освещение антенного зазора ичастичное асимметричное освещение вблизи анода. При равномерномосвещении ток фотоиндуцированных носителей заряда пропорционаленоптической мощности накачки.

Однако в случае асимметричного освещенияфототок сигнал ТГц, нелинейно возрастают с увеличением мощностиоптического накачки. Этот режим накачки характеризуется повышенным44электрическимполемвблизианодаи,следовательно,увеличениемконцентрации электронов в этой области. Это приводит к увеличениюфототокаиувеличениюмощностисигналаТГц.Сообщается,чтоасимметричное освещение фотопроводящего антенного зазора дает более чем4-кратное усиление по сравнению с равномерным освещением [113]. Крометого, было показано, что чем сильнее оптическое поле сосредоточено вобласти анода, тем более мощным является ТГц излучение [113].1.3.3. Современное состояние и развитие по созданию ТГц антенн наоснове полупроводниковых пленок.Как отмечается в работах [114–117], использование разной топологииконтактныхэлектродовзначительноувеличиваетэффективностьфотопроводящих терагерцевых антенн.

При использовании различных формантенн (типа «бабочка», полосковых и дипольных антенн) можно менятьширину частотного спектра от 1,5 до 4 ТГц. Кроме того, использование антеннтипа «бабочка» приводит к сильному резонансному усилению терагерцевогополя, а также немонотонному сдвигу частоты в область низких частот сувеличением угла при вершине электрода. Использование антенны в формеспирали увеличивает ширину спектра, а также приводит к круговойполяризации терагерцевого излучения.

Уменьшение ширины зазора междуэлектродами приводит к увеличению интенсивности терагерцевого сигнала.Использованиеплазмонныхконтактныхэлектродов значительноувеличивает квантовую производительность фотопроводящих терагерцевыхустройств, обеспечивает наноразмерную длину свободного пробега носителейзаряда,увеличиваетсубпикосекундномэффективностьколичествомасштабесгенерированныхвремениоптико-терагерцевогои,такимфотоносителейобразом,преобразованиявповышаетфотопроводящихтерагерцевых излучателей и увеличение чувствительности фотопроводящихтерагерцевых детекторов [114].45Самым современным достижением является создание фотопроводящейантеннынаосновеLT-GaAsсплазмоннымифотопроводящиминаноантеннами [118].

Их геометрия выбрана для усиления, индуцированноготерагерцевого поля между концами плазмонной наноантенны при освещенииполяризованным (в направлении параллельном плазмонной фотопроводящейнаноантенны) терагерцевым пучком. Ширина наноантенн выбирается намногоменьшей, чем терагерцевая длина волны (при частоте порядка 1 ТГц длинаволны составляет 300 мкм) для достижения широкополосного спектра.Наноантенная геометрия также выбирается так, чтобы вызвать возбуждениеповерхностных плазмонных волн при освещении с помощью оптическойполяризованной(перпендикулярноплазмоннойфотопроводящейнаноантенны) накачки.

При такой геометрии большинство фотогенерируемыхносителей концентрируется в непосредственной близости от наноантенн[118].Прииспользованииописанныхвышедвумерныхплазмонныхнаноантенн эффективность оптико-терагерцевого преобразования ограниченаглубиной, на которой генерируются носители заряда (~ 100 нм). Дляпреодоления этого ограничения и дальнейшего повышения эффективностипредложены наноантенны на основе трехмерных плазмонных решеток,встроенных в полупроводниковую подложку [28]. При такой геометрииконтактная поверхность решетки с полупроводником значительно больше,чем поверхность двумерных плазмонных решеток. Это увеличиваетконцентрациюфотоиндуцированныхзарядоввблизиметаллическихэлектродов, которые участвуют в генерации ТГц излучения.1.4.Выводы по главе 1Таким образом, обзор литературы, проведённый в первой главе,показывает,чтоактивноразвивающеесянаправлениеинженерииэпитаксиальных напряжении является одним из перспективных инструментов46для создания материалов с заранее заданными свойствами для широкого кругазадач современной микро- и наноэлектроники.Насегодняшнийденьпоказанавозможностьсозданиясегнетоэлектрических ячеек памяти на основе тонких сегнетоэлектрическихпленок,находящихсявмультистабильныхсостояниях.Наосновемультиферроидных материалов теоретически рассчитан прототип памятисразу с восемью логическими состояниями.

Продемонстрировано критическоевлияние кристаллографических характеристик пленок GaAs и LT-GaAs(дислокационного рассеяния, размера и концентрации кластеров и др.) напараметрырелаксациииэффективностьоптико-терагерцевогопреобразования.Однако, остаются нерешёнными вопросы поиска и создания материаловс фазовыми состояниями в более широком температурном диапазоне,зависящем от эпитаксиального напряжения. Кроме того, практически нетработ по изучению влияния кристаллографического среза подложки GaAs (исвязанного с этим эпитаксиального напряжения), а также влияние δ - слоев Siв составе плёнок LT-GaAs на свойства ФПА.47Глава 2.МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИМУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР2.1.Общее описание методики генерации второй оптической гармоникиМетодика генерации второй гармоники (ГВГ) обладает высокойчувствительностью к состоянию поверхности и межфазных областей(интерфейсов) для объемных, пленочных и композитных материалов, чтообусловлено правилами симметрии; она весьма эффективна также дляисследования гетероструктур, в которых за счет эпитаксиальных напряженийпроисходит изменение симметрии и функциональных свойств [119].Электромагнитныеволны,проходясквозьсреду,возбуждаютэлектрическую поляризацию P, намагниченность M и электрическийквадрупольный момент Q.

В общем случае вклады в ГВГ можно записать вматричной форме [120]:P MQ 2ω χˆ eee∝  χˆ mee χˆ qeeχˆ eemχˆ memχˆ qemωχˆ emm   EE χˆ mmm   EH χˆ qmm   HH (6)где E и H – напряженности, соответственно, электрического и магнитногополей падающей волны на основной частоте. Для нахождения интенсивностиГВГ необходимо решить волновое уравнение вида:(∆ −ε ∂2с 2 ∂t 2)Ε =S(6)где вектор Пойнтинга  ∂ 2P ∂M   ∂ 2 QS= S P + S M + S=+∇×+µQ0  2  2∂∂tt  ∂t  (7)представляет собой источник нелинейной электромагнитной волны ( µ0 магнитнаяпостоянная, магнитная проницаемость вакуума).

Электро-дипольный (ЭД) член ~SP является основным источником ГВГ длянецентросимметричныхсред,превосходящим48повеличинемагнито-дипольный (МД) и электрический квадрупольный (КД) члены вaλраз ( λ -длина волны падающего излучения, а – постоянная решетки кристалла) [121].В случае нелинейности второго порядка ЭД механизм допускается только внецентросимметричных средах. В этом случае восприимчивостьχˆ eeeприводит к суммарной и разностной генерации частот, ГВГ и оптическомувыпрямлению [121].2.1.1.Связьгенерациивторойоптическойгармоникиисегнетоэлектрической поляризацииИсследования сегнетоэлектрических свойств основаны на связиинтенсивностивторойгармоники(ВГ)I2ωссегнетоэлектрическойполяризацией [122]I 2ω ( E ) ∝ ( Ebg2ω ) + α ( P0 + P ( E ) )22(8)2— некогерентная составляющая, не зависящая от внешнейгде (непереключаемой) части поля ВГ; P(E) — зависящая от внешнегоэлектрического поля (переключаемая) поляризация, Р0 - представляет собойсуммарный вклад остаточной поляризации и когерентной составляющейнепереключаемой поляризации.корень2Таким образом, в общем случае, когда ≠ 0 и 0 ≠ 0, квадратныйизполяризации,интенсивностичтоВГпозволяетявляетсядатьмеройоценкусегнетоэлектрическойхарактерапереключения.Переключаемая часть сегнетоэлектрической поляризации рассчитывается поформулеP(E) =− P0 +49I 2ω ( E ) −  ( Ebg2ω )α2(9)Дляаппроксимацииэкспериментальныхданныхиспользуетсяупрощение формулы (8):I 2ω ∝ ( Ebg2ω ) 2 + (C + αU ) 2(10)2— некогерентная составляющая, не зависящая от внешнейгде (непереключаемой) части поля ВГ, C и α – константы.

Аналогично,переключаемая когерентная часть интенсивности ГВГ в дипольномприближении может быть записана в следующем виде:I 2ω ∝ ( f 2ω χ (2) fω Eω fω Eω ) 2где (2)–тензорнелинейнойвосприимчивости(11)второгопорядка,определяемый кристаллографической структурой кристалла, , 2 - факторыФренеля.Для сегнетоэлектриков (2) может состоять из двух частей:переключаемой и непереключаемой. Последняя может быть записана в виде:χ (2) ∝ χ (0) P0 ∝ χ (0) (ε − 1)Ud(12)где χ (0) — диэлектрическая восприимчивость среды, ε — диэлектрическаяпроницаемость, d — расстояние между электродами, которое в условияхреального эксперимента является константой.