Диссертация (1091440), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Электроны с энергетических уровнейантиструктурных дефектов «атом As в узле атома Ga» переходят наакцепторные уровни; антиструктурные дефекты становятся ионизированнымии функционируют как ловушки электронов, уменьшая их время жизни.Исследования предыдущей главы показали, что легирование атомами Si120непосредственно пленки LT-GaAs улучшает характеристики ФПА.
Однакоконцентрация дырок, возникающая в результате легирования, получаетсямаленькой. Поэтому для образцов, исследуемых в этой главе, использованследующий подход: в плёнку LT-GaAs, выращенную на подложке GaAs(111)A, вставляются слои GaAs, выращенные в высокотемпературном режимеи легированные атомами Si. Эти слои обеспечивают дырочный типпроводимости: измеренная концентрация носителей заряда подтвердила, чтоэто дырки. А слои LT-GaAs по-прежнему обеспечивают большуюконцентрацию антиструктурных дефектов, которые уменьшают время жизнифотовозбуждённых электронов.Исследуемые в данной работе образцы одинакового слоевого дизайнабыли выращены на полуизолирующих подложках GaAs (100) и (111)Аметодом молекулярно-лучевой эпитаксии.
Дизайн образцов представлен нарисунке 52. Образцы состоят из серии двойных слоёв: нелегированного слояi-LT-GaAs толщиной 115 нм и слоя n-GaAs толщиной 10 нм, легированногоатомами Si. Общая толщина мультислойной пленки составляет 1 мкм. Образецi-LT-GaAs/GaAs:Si на подложке GaAs (100) обозначается в дальнейшемGaAs(100), а образец i-LT-GaAs/GaAs:Si на подложке GaAs (111)A –GaAs(111)A.Рисунок 52. Мультислойная структура выращенная на подложкеGaAs(100) и (111)А121На рисунке 53 показаны временные формы и частотные спектры ТГцизлучения от мультислойных структур GaAs(100), GaAs(111)A и нелинейногокристалла-генератора ZnTe. В качестве детектора использовался нелинейныйкристалл ZnTe. В данном случае происходила генерация ТГц излученияфотовозбуждёнными носителями заряда, которые ускорялись внутреннимиэлектрическимиполями,существующимивструктурахGaAs(100),GaAs(111)A .Ширина спектра генерируемого ТГц-излучения для обеих плёнокодинакова, однако интенсивность на порядок больше для плёнки LT-GaAs(111)A.
По сравнению с нелинейным кристаллом ZnTe, плёнки LT-GaAs (100)и LT-GaAs (111)А генерируют на 1–2 порядка менее интенсивное ТГцизлучение. Наличие в спектре пика на частоте порядка 0,1 ТГц связано сналичием шумового фона. Кроме того, как было показано выше провал вспектре на частоте 1.67 ТГц соответствует интенсивному поглощению парамиводы.Рисунок 53. ТГц излучение от мультислойных структур GaAs (100)и GaAs (111)А (детектор – нелинейный кристалл ZnTe): (а) временнаязависимость ТГц излучения; (б) частотный спектр ТГц излучения.На рисунке 54 (а) показано сравнение ТГц-сигнала от мультислойнойструктуры GaAs (100) и монокристалла GaAs с кристаллографическим срезом(100).
Видно, что интенсивность ТГц-излучения мультислойной структуры на122порядок выше. Спектр излучения, показанный на рисунке 54(б), также сильноразличается: спектральная ширина излучения от монокристалла GaAsпрактически в два раза меньше, чем от мультислойной структуры.Рисунок 54. ТГц излучение от мультислойной структуры i-LTGaAs/n-GaAs (100) и от монокристаллической подложки GaAs (100)(детектор – нелинейный кристалл ZnTe): (а) временная зависимость ТГцизлучения; (б) частотный спектр ТГц излучения.Аналогичным образом были измерена интенсивность ТГц сигнала отмультислойной структуры i-LT-GaAs/n-GaAs (111)A и от монокристалла GaAsс кристаллографическим срезом (111)A.Рисунок 55.
Генерация ТГц излучения мультислойной структурыi-LT-GaAs/n-GaAs(111)А и монокристаллической подложки GaAs(111)А(детектор – нелинейный кристалл ZnTe): (а) временная зависимость ТГцизлучения; (б) частотный спектр ТГц излучения.123На рисунке 55 видно, что интенсивность ТГц сигнала от мультислойнойструктуры эффективнее на порядок. Различие в ширине спектра ненаблюдается.Также была исследована зависимость терагерцевого излученияструктур i-LT-GaAs/n-GaAs от мощности излучения накачки.
На рисунке 56показана максимальная амплитуда ТГц излучения. Значительное повышениеамплитуды наблюдается на терагерцевой структуре i-LT-GaAs/n-GaAs (111)А.Это повышение связано с бóльшим фототоком, образующимся вследствиебольшей концентрации свободных носителей заряда в структуре i-LT-GaAs/nGaAs (111)А.
Кроме того, зависимость интенсивности ТГц излучения отмощности излучения накачки для обеих структур линейна. Это означает, чтомаксимальное значение мощности накачки (650 мВт) находится ниже уровнянасыщения. Таким образом, структуры i-LT-GaAs/n-GaAs могут испускатьболее сильный ТГц сигнал при наличии более интенсивного источникавозбуждения.Рисунок 56.
График зависимости амплитуды ТГц-излучения отмощности излучения накачки124В результате более подробного анализа всех рассмотренных спектров(рисунки 53(б), 54(б), 55(б)) получены численные характеристики спектров,которые приведены в таблице 11. Как и в предыдущем случае полосаизлучения/чувствительности определялась как диапазон частот, в которомизлучается/детектируется 50% интегральной мощности (71% интегральнойинтенсивности), при этом интенсивность на граничных частотах (f1/2)min и(f1/2)max одинакова.ТаблицаХарактеристики11.нелинейногокристаллаZnTe,мультислойных структур i-LT-GaAs/n-GaAs и подложек GaAs в диапазонечастот 0–5 ТГц.ZnTeМультислойная плёнкаi-LT-GaAs/n-GaAsПодложкаПодложкаGaAsGaAs (100)(111)A0.380.16Монокристалл GaAsПодложкПодложкаа GaAsGaAs (100)(111)A0.440.36(f1/2)min, ТГц1.22(f1/2)max, ТГц2.392.702.551.612.541.172.322.391.172.181.0000.0400.2320.0080.024Ширинаполосыизлучения,ТГцНормированнаяинтегральнаяинтенсивностьТГцизлученияВданнойработепроведеныисследованияпоулучшениюхарактеристик фотопроводящей антенны за счет включения плазмоннойтопологии на активном слое i-LT-GaAs/n-GaAs.В ряде работ [114,117,169–171] было обнаружено, что геометрияэлектродов влияет как на ширину спектра, так и на частоту максимальнойинтенсивности ТГц излучения.
Обычно электроды ТГц антенн имеют125геометрию дипольных, логарифмических, спиральных и лучевых антенн[172]. Подбор оптимальных параметров топологии ФПА обеспечивающихэффективностьТГцизлученияможетбытьсделанчисленноилиэкспериментально. Как было показано в работе Берри, использованиеплазмонных контактных электродов может значительно увеличить квантовуюпроизводительностьфотопроводящихтерагерцевыхустройств.Использование антенн типа «бабочка» приводит к сильному резонансномуусилению терагерцевого поля, а также немонотонному сдвигу частоты сувеличением угла при вершине электрода.
Использование антенны в формеспирали увеличивает ширину спектра, а также приводит к круговойполяризации терагерцевого излучения [165–167]. Таким образом, повышениеэффективности оптико - терагерцевого преобразования фотопроводящихтерагерцевых излучателей приводит кувеличению чувствительностифотопроводящих терагерцевых детекторов.Для демонстрации характеристик ФПА на основе GaAs(100) иGaAs(111)A было решено изготовить серию ФПА с интегрированнымиплазмонными решетками. Период плазмонной решетки менялся следующимобразом: T=100нм, 250нм, 500нм. После того как оптимальные параметрыФПА были проанализированы, удалось сделать при помощи программыAutoCAD шаблоны для создания ФПА. С использованием этих шаблоновметодикой электронно-лучевой литографии были созданы экспериментальныеобразцы ФПА с разной топологией.
На рисунке 57 (слева) показан общий видФПА, полученной при помощи электронного растрового микроскопа. Наувеличенномизображениирисунка57(центр)продемонстрированосоединение плазмонной структуры с «бабочкой», кроме того, справа показаноувеличенное изображение плазмонной структуры с зазором решетки 100нм.Фотопроводящая антенна состоит из проводника с зазором 20 мкм междуанодным и катодным контактами.
Она соединена с антенной типа «бабочка» ичерез нее — со спиральной антенной. Обычно, такие технологические126процессы по создание антенны делятся на два этапа. Первый этап электронно-лучевая литография с максимальным размером электродов до 200нм, второй этап – оптическая фотолитография (размер больше микрона).Общий размер антенны, создан нами в едином цикле электронно-лучевойлитографии, и составил 1215 × 738 мкм. Это очень серьезное достижение дляметодиксозданияФПАметодомэлектронно-лучевойлитографии.Материалом, используемым для ФПА, являлась мультислойная структура iLT-GaAs/n-GaAs, подробно описанная в предыдущем пункте.Падающее фемтосекундное излучение с длиной волны 800 нмфокусировалось объективом 5x в пятно диаметром 5 мкм.
Таким образом,можно утверждать, что все оптическое излучение точно попадало в зазорФПА. Поскольку электроны имеют значительно более высокую подвижность,по сравнению с дырками, а также и из-за нелинейного увеличенияэлектрического поля смещения вблизи контактных электродов, оптическаянакачка фокусировалась ближе к анодному контакту, чтобы максимизироватьтерагерцевое излучение [173].Рисунок 57. Изображение изготовленной плазмонной ФПА. Слева:общий вид ФПА; центр: плазмонная структура, соединенная с«бабочкой»; справа: увеличенное изображение плазмонной структуры спериодом ~250 нм.127Выбранная геометрия плазмонной решетки обеспечивает возбуждениеповерхностныхплазмонныхволнвдольпериодическойграницыметаллической решетки при падении поперечно магнито-поляризованнойоптической накачки [174].
Возбуждение поверхностных плазмонных волнпозволяетпропускатьбольшуючастьоптическойнакачкичерезнаноразмерную решетку в фотопоглощающую подложку. Кроме того,плазмонные антенны в непосредственной близости от контактных электродов[174] значительно увеличивают интенсивность оптической накачки. Однако,работ, связанных с исследованием влияния периода решетки на интенсивностьТГц излучения, не обнаружено.Экспериментальнаяустановкадляисследованиягенерацииидетектирования ТГц-излучения подробно описана в п.2.3.2. Для измеренияизлучаемого электрического поля используется нелинейный кристалл ZnTe.На рисунке 58(а) показана временная зависимость интенсивности ТГцизлучения для двух антенн с периодом решетки 100 нм при приложенномнапряжении смещения 60В и нелинейным кристаллом ZnTe. ФПА инелинейный кристалл накачаны оптическим лучом мощностью 60 мВт.Рисунок 58. Сравнениетерагерцевыхгенераторов(детектор—кристалл ZnTe): a — временная форма ТГц импульса при приложениинапряжения смещения 60 В; б — спектр ТГц излучения.128Рисунок 59.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
