Диссертация (1091440), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Обозначение подложки (111)Азначит, что поверхность заканчивается атомами элемента третьей группы(соединение GaAs относится к классу А3В5). У поверхности (111) может бытьдве стороны: А и В. Образец LT-GaAs (номер ростового процесса 975-3.3) наподложке GaAs (100) обозначается в дальнейшем LT-GaAs(100), а образец LTGaAs/GaAs (111)A (номер ростового процесса 978-6.3) на подложке GaAs(111)A – LT-GaAs(111)A. Дизайн образцов представлен на рисунке 46.Образцы состоят из двух слоёв: слоя intrinsic (i) -GaAs толщиной 0.2 мкм,выращенного при температуре 560°С, и слоя LT-GaAs толщиной 1 мкм,выращенного при температуре 230°С.
Слой LT-GaAs содержит три δ-слоякремния, расположенные на расстоянии 0.255 мкм друг от друга.Концентрация атомов Si в каждом из δ-слоёв указана на рисунке 46.Отношение концентраций потоков As и Ga во время роста составляло ~ 20.После роста образцы были подвергнуты отжигу в камере роста установкимолекулярно-лучевой эпитаксии в потоке As при температуре 590°С в течение1 часа.Рисунок 46. Дизайн исследуемых образцов113На поверхности выращенных образцов методом фотолитографии былиизготовлены фотопроводящие антенны. Они представляли собой омическиеконтакты Ti/Au (50/800 нм) в виде двух параллельных полосок шириной 100мкм и с интервалом 200 мкм (рисунок 14(а)).Рентгенографическими методами была исследована кристаллическаяструктура исследуемых образцов.
На рисунке 47 представлены кривыедифракционного отражения в режиме θ/2θ-сканирования, полученные вработе [168]. Из зависимостей видно, что для структуры LT-GaAs(100)наблюдается основной пик при 2θ = 66.048◦, соответствующий отражениюGaAs (400), а для структуры на подложке LT-GaAs (111)A — основной пикпри 2θ = 27.3040, соответствующий отражению LT-GaAs (111). Кроме того,было показано, что для структур, выращенных на подложке LT-GaAs (111),уширение основного пика оказывается на 40% больше, чем у образцов наподложках LT-GaAs(100). Это наблюдение позволило сделать вывод оналичии большого количества дефектов и эпитаксиальных напряжений,возникающих в кристаллической структуре LT-GaAs, выращенной наподложке GaAs(111)А.LT-GaAs(111)ALT-GaAs(100)Рисунок 47.
θ/2θ-кривые дифракционного отражения: a — № 975_3.3(LT-GaAs(100)) на подложке (100), б — № 982_6.3 (LT-GaAs(111)A) наподложке (111)А [168].114На рисунке 48 показаны временные формы и частотные спектры ТГцизлучения от ФП антенн без приложения напряжения к их контактам. Вкачестве детектора использовался кристалл ZnTe. В данном случаепроисходила генерация ТГц-излучения фотовозбуждёнными носителямизаряда,которыеускорялисьвнутреннимиэлектрическимиполями,существующими в плёнке LT-GaAs.
Спектр генерируемого ТГц-излученияодинаков для обеих плёнок, однако для плёнки LT-GaAs (111)A интенсивностьна порядок больше. По сравнению с нелинейным кристаллом ZnTe плёнки LTGaAs (100) и LT-GaAs (111)А без приложения внешнего электрического полягенерируют на 1–2 порядка менее интенсивное ТГц-излучение. Наличие вспектре частоты порядка 0,1 ТГц связано с шумовым фоном. Наличие паровводы также снижает чувствительность установки в области линийпоглощения. На частоте 1,67 ТГц (рисунок 48(б) указан красной стрелкой)виден небольшой провал в спектре, который соответствует интенсивномупоглощению парами воды.Рисунок 48.
Генерация ТГц-излучения плёнками LT-GaAs безприложения внешнего электрического поля (детектор – нелинейныйкристалл ZnTe): (a) временная зависимость ТГц-излучения плёнками LTGaAs (100) и (111)А; (б) частотный спектр ТГц-излученияПри подаче напряжения смещения 75 В к контактам ФП антенныинтенсивность генерации терагерцевого излучения по отношению кинтенсивности без смещения сильно возросла: в 33 раза для ФП антенны на115LT-GaAs (100) и в 35 раз – для ФП антенны на LT-GaAs (111)А.
На рисунке49(а) показаны временные формы и частотные спектры ТГц излучения от ФПантенн с приложенным напряжением смещения 75 В. Видно, чтоинтенсивность излучения ФП антенны на LT-GaAs (111)A в 3.7 раз больше,чем интенсивность излучения ФП антенны на LT-GaAs (100), и сравнима синтенсивностью излучения кристалла ZnTe. Спектры излучения (рис. 49(б))ФП антенн похожи, их максимумы лежат в области 1 ТГц, в то время какмаксимум спектра излучения кристалла ZnTe сдвинут в сторону бóльшихчастот и находится в области 2 ТГц. Кроме того, ширина генерируемогоспектра ТГц частот в случае LT-GaAs оказывается выше для обоих типовобразцов.Рисунок 49. Сравнение терагерцевых генераторов (детектор –нелинейный кристалл ZnTe): (а) временная форма ТГц-импульса приприложении напряжения смещения 75 В; (б) спектр ТГц излучения.ЗависимостьинтенсивностиТГцизлученияФПантенныотнапряжения смещения показана на рисунке 50. Значительное повышениемощности наблюдается на фотопроводящей антенне LT-GaAs (111)А.
Этоповышение связано с бóльшим фототоком, образующимся вследствиебольшей концентрации свободных носителей заряда в структуре LT-GaAs(111)А. Кроме того, зависимость интенсивности ТГц излучения от напряжения116смещения для LT-GaAs (100) является квазилинейной , тогда как для LT-GaAs(111)A близка к линейной.Рисунок 50. Усиление ТГц сигнала антенн LT-GaAs(100) и (111)А взависимости от напряжения смещения относительно ТГц сигнала от ZnTe.Исследованы детектирующие свойства ФП антенн на LT-GaAs (100) иLT-GaAs (111)А, ТГц излучение при этом генерировалось нелинейнымкристаллом ZnTe.
На рисунке 51 показаны временные формы и частотныеспектрыэлектрическихТГц-импульсов,измеренныхФПантеннами.Выявлено, что чувствительность ФП антенны на LT-GaAs (111)А в 1.5 разабольше чувствительности ФП антенны на LT-GaAs (100), а также нелинейногокристалла ZnTe. Также видно, что общая ширина спектра электрическогосигнала составляет 3 ТГц для всех детекторов.
Однако в спектре сигнала,измеренного нелинейным кристаллом ZnTe, сравнительно более интенсивнаобласть частот возле 2 ТГц, а в спектре сигналов, измеренных ФП антеннами,присутствует дополнительная интенсивная область вблизи 1 ТГц, благодарякоторой спектр становится более равномерным.117Рисунок 51. Сравнение терагерцевых детекторов (генератор ТГцизлучения–нелинейныйкристалл ZnTe):(а)временнаяформаэлектрического импульса с трех типов детекторов; (b) частотный спектрэлектрического импульса с трех типов детекторовНаличиенизкочастотныхобластейвспектрахизлученияичувствительности (спектры генерации и детектирования) ФП антенн можнообъяснить их топологией: антенна в виде двух параллельных полосковыхконтактов с расстоянием d между ними является резонансной, её резонанснаячастота определяется выражением ( ε GaAs =13):=dλε GaAs + 1== 7, ε eff22 ⋅ ε effи равна 0.28 ТГц.
Тем не менее, как показано в работе [113], в спектрахизлученияполосковыхФПантеннотчётливыепики,связанныесрезонансными частотами, не наблюдаются. При изменении размеров ФПантенны спектр всего лишь несколько изменяет свою форму.В результате более подробного анализа получены численныехарактеристики спектров, которые приведены в таблице 10. Полосаизлучения/чувствительности определялась, как диапазон частот, в которомизлучается/детектируется не менее 50% интегральной мощности (71%интегральной интенсивности), при этом интенсивность на граничных частотах(f1/2)min и (f1/2)max оказывалась одинаковой.118Таблица 10.
Характеристики нелинейного кристалла ZnTe, плёнок LTGaAs и ФП антенн на их основе, к которым приложено напряжение 75 В, вдиапазоне частот 0–5 ТГц.Плёнка LT-GaAsДетектированиеГенерацияZnTeФП антенна на LT-GaAsПодложкаGaAs (100)ПодложкаGaAs (111)AПодложкаGaAs (100)ПодложкаGaAs(111)A(f1/2)min, ТГц1.0~ 0.5*0.60.40.3(f1/2)max, ТГц2.4~ 3.5*2.221.61.4~ 3.0*1.61.51.3Ширина полосыизлучения, ТГцНормированнаяинтегральнаяинтенсивностьТГц-излучения(f1/2)min, ТГц1~ 0.02*0.052.34.51.00––0.80.8(f1/2)max, ТГц2.3––2.12.11.29––1.31.31––1.31.8Ширина полосычувствительности, ТГцНормированнаяинтегральнаячувствительность к ТГцизлучению* величины указаны оценочно, так как малая интенсивность сигнала затруднялаанализ его спектра.Таким образом, показано, что плёнки LT-GaAs на подложках GaAs(100) и (111)А генерируют ТГц излучение в диапазоне до 3 ТГц при облученииих фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 800 нм.Сравнение плёнок показывает, что интенсивность ТГц излучения от плёнкиLT-GaAs на несингулярной подложке GaAs (111)A в 3.4 раза больше, чем отплёнки LT-GaAs на сингулярной подложке GaAs (100).
Интенсивность ТГцизлучения от ФП антенны, при приложении напряжения 60В к контактам119антенны на 2 порядка превосходит интенсивность ТГц-излучения отсоответствующих плёнок без антенн. Сравнение ФП антенн показывает, чтоинтенсивность ТГц-излучения от ФП антенны на LT-GaAs/GaAs (111)A в 2 разбольше, чем от такой же ФП антенны на LT-GaAs/GaAs (100) и в 4,5 разпревосходит интенсивность ТГц-излучения от нелинейного кристалла ZnTe.ЧувствительностьФПантеннынаLT-GaAs/GaAs(111)A,выступающей в роли детектора ТГц излучения, в 1.4 раз превосходитчувствительность ФП антенны на LT-GaAs/GaAs (100) и в 1.8 раз превосходитчувствительность нелинейного кристалла ZnTe.В качестве генератора ТГц излучения ФП антенна на LT-GaAs/GaAs(111)A значительно превосходит ФП антенну на LT-GaAs/GaAs (100).
В то жевремя, как детектор ТГц-излучения ФП антенна на LT-GaAs/GaAs (111)Aлишь ненамного лучше, чем ФП антенна на LT-GaAs/GaAs (100).Лучшие свойства ФП-антенн на плёнках LT-GaAs на подложках(111)А, по сравнению с плёнками LT-GaAs на подложках (100), следуетприписать особенностям кристаллической структуры плёнок LT-GaAs,образующимся при использовании несингулярной подложки GaAs (111)А дляэпитаксиального роста плёнок.5.2 Генерация терагерцевого излучения низкотемпературнымимультислойными эпитаксиально-напряженными плёнками i-LTGaAs/GaAs:Si на подложках GaAs с ориентациями (100) и (111)AТрадиционный подход в изготовлении полупроводниковых структурдля ФПА заключается в том, что плёнку LT-GaAs легируют атомами бериллия,которые являются акцепторами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
