CC BY
31
УДК 621.315.592
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
"НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО" АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ И ДЕТЕКТОРОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО
ДИАПАЗОНА
А. А. Горбацевич1'2, В. И. Егоркин2, И. П. Казаков1, О. А. Клименко1, А.Ю. Клоков1, Ю.А. Митягин1, В.Н. Мурзин1, С. А. Савинов1, В. А. Цветков1
Методом pump-probe оптического отражения определено время жизни свободных неравновесных носителей заряда в эпитаксиальных пленках "низкотемпературного" арсенида галлия (LT-GaAs). Оценено темно-вое удельное сопротивление LT-GaAs слоев. Методом фурье-спектроскопии измерены спектры излучения LT-GaAs фотопроводящих антенн в области терагерцовых частот.
Ключевые слова: низкотемпературный арсенид галлия, оптические pump-probe измерения, время жизни неравновесных носителей, фотопроводящие антенны, терагерцовое излучение.
Введение. Появление в последние годы мощных импульсных лазеров, в частности, с фемтосекундной длительностью импульса (1 фс = 10-15 с), открыло путь для создания компактных генераторов и детекторов широкополосного терагерцового (ТГц) излучения, основанных на взаимодействии лазерного излучения с веществом [1]. В качестве активных преобразующих элементов обычно используют либо фотопроводящие антенны [2], либо нелинейно-оптические кристаллы [3]. С точки зрения эффективности оптико-терагерцового преобразования первый вариант оказывается предпочтительней [4, 5]. В настоящее время наиболее интенсивно изучаемым материалом для фотопрово-дящих антенн является арсенид галлия, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии при пониженной температуре T < 300 °С. Лучшие структуры на основе
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 НИУ МИЭТ, 124498 Россия, Московская обл., г. Зеленоград, проезд 4806, 5.
"низкотемпературного" арсенида галлия (LT-GaAs) демонстрируют субпикосекундное время жизни неравновесных носителей заряда, относительно хорошую подвижность (~103 см2/В-с), высокие значения темнового удельного сопротивления и поля пробоя (~105 В/см) [6, 7]. Стоит отметить, что свойства конкретных LT-GaAs структур сильно зависят от условий выращивания и последующего отжига. В связи с этим подавляющее большинство работ по LT-GaAs посвящено исследованиям динамики релаксации неравновесных носителей, проводимых с помощью различных методик "возбуждение-зондирование" ("pump-probe") [4-6, 8, 9].
В нашей предыдущей работе [10] описаны технологические операции роста и последующего отжига эпитаксиальных пленок LT-GaAs, представлены результаты структурных исследований, проводившихся методами дифракции быстрых электронов, спектроскопии анизотропного отражения, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции. Настоящая работа посвящена исследованию динамических характеристик выращенных LT-GaAs/GaAs структур и фотопроводящих антенн на их основе методами pump-probe оптического отражения с временной задержкой и фурье-спектроскопии в терагерцовой области.
Измерение времени жизни методом pump-probe оптического отражения. Определение времени жизни свободных неравновесных носителей заряда в выращенных пленках LT-GaAs проводилось методом pump-probe оптического отражения (рис. 1). Возбуждающие (pumping) импульсы получали при пропускании излучения Ti:Sa лазера через нелинейный кристалл BBO и получали импульс с параметрами: Apump = 400 нм, Ppump ~ 20 мВт, Tpulse = 170 фс, /rep = 76 МГц. Далее с помощью микрообъектива их фокусировали на поверхность образца (0spot ~ 15 мкм), в результате чего в слое LT-GaAs в области подсветки возникали малые изменения диэлектрической проницаемости и, соответственно, коэффициента отражения r = R • вг1р. Регистрация изменения коэффициента отражения осуществлялась с помощью модифицированного интерферометра Саньяка [11]. В данной оптической схеме импульсы первой гармоники Ti:Sa лазера (Aprob = 800 нм, PpTob ~ 4 мВт) после прохождения линии задержки DL с уголковым отражателем и фазовой пластины PP2 (A/2) попадали в интерферометр. При прохождении через поляризационный светоделитель PBS2 часть зондирующего излучения (800 нм) с горизонтальной поляризацией попадала в плечо "1" интерферометра, а с вертикальной поляризацией - в плечо "2". После двухкратного прохождения через установленные в плечах фазовые пластины PP3 и PP4 (A/4) импульсы меняли поля-
ризацию на ортогональную, в результате чего оба далее попадали в плечо "3" и через фазовую пластину РР5 (А/4) на образец в область подсветки. Плечи интерферометра имели немного разные длины, поэтому на образец сначала попадал зондирующий импульс из плеча "1" (опорный), а через АТ ~ 500 пс - из плеча "2" (пробный). Временное положение этой пары импульсов относительно импульса возбуждения, определяемое задержкой т (см. вставку на рис. 1), можно было менять с помощью линии задержки ВЬ. Отраженные от образца зондирующие импульсы повторно проходили через фазовую пластину РР5, возвращаясь к линейной поляризации, при этом импульс, пришедший из плеча "1", попадал в плечо "2" и наоборот. После выхода из интерферометра импульсы оказывались совмещенными во времени и обладали ортогональными линейными поляризациями. Далее с помощью неполяризующего светоделителя ББ импульсы отводились к схеме регистрации, состоящей из фазовой пластины РР6 (А/4), обеспечивающей их интерференцию, поляризационного светоделителя РББ3 и двух фотодиодов РВ1 и РВ2, сигналы с которых поступали в синхронный усилитель БИ 844.
РВЭЗ
I--1РР1 а/2)
Рис. 1: Схема экспериментальной установки для исследования оптических характеристик эпитаксиальных пленок "низкотемпературного" арсенида галлия.
Можно показать [11], что сумма сигналов с фотодиодов оказывается пропорциональна сумме относительных изменений модуля коэффициента отражения в моменты времени т и т — АТ (8Я(т)/Я0 + 5К(т — АТ)/Я0), а разность сигналов пропорциональна
изменению фазы ) — — ДТ)). В нашей работе анализируется только изменение модуля коэффициента отражения. Достоинством выбранной схемы с интерферометром Саньяка служит ее исключительная устойчивость по отношению к механическим вибрациям, позволяющая обойтись без активных систем стабилизации. Кроме того, применение в установке "двухцветной" методики позволяет радикально снизить прохождение на фотодетекторы паразитного рассеяния от возбуждающего излучения (Л = 400 нм).
На рис. 2 приведен характерный вид измеренных зависимостей относительного изменения коэффициента отражения ДЯ/Я0 пленок ЬТ-СаАя от времени задержки т. Нулевое время задержки соответствует полному перекрытию возбуждающего и пробного зондирующего импульсов. Поскольку величина коэффициента поглощения СаАя (соответственно, и ЬТ-ОаАя) на длине волны 800 нм составляет порядка 104 см-1, глубину проникновения зондирующего излучения можно оценить на уровне 1 мкм, что совпадает с толщиной выращенных пленок ЬТ-СаАя. Поскольку релаксация электронной и фононной систем происходила за времена, много меньшие периода следования импульсов (~13 нс), можно считать, что $Я(т — ДТ)/Я0 ~ 0, т.е. сигнал на выходе синхронного усилителя пропорционален изменению коэффициента отражения ДЯ/Я0 в момент времени т. На кривых ДЯ/Я0(т) можно выделить несколько участков с существенно различным характером изменения отражения во времени. Резкое падение коэффициента отражения во время возбуждающего импульса обычно связывают с уменьшением действительной части диэлектрической проницаемости е поверхностного слоя структуры в результате добавления отрицательного вклада (шр/ш)2 электронной плазмы [12]. Данные измерений показывают, что характерное время, определяющее возникновение неравновесных носителей заряда в слое ЬТ-СаАя под воздействием подсветки, составляет менее т1 ~ 0.5 пс (рис. 2(а)).
Последующий быстрый рост коэффициента отражения в первые 1-2 пс после окончания действия импульса возбуждения до значений, превосходящих первоначальное отражение, обусловлен уходом неравновесных носителей из области возбуждения, в том числе в результате релаксации носителей и их захвата на примесные центры ЬТ-СаАя. Оцененное из аппроксимации данного участка экспоненциальной функцией время жизни свободных неравновесных носителей т2 составило порядка и меньше 1 пс (рис. 2(а)).
Дальнейшее медленное спадание величины ДЯ/Я0 до "предвозбужденного" (т < 0) состояния происходит за гораздо большие времена в десятки и сотни пикосекунд. Форма временной зависимости падения отражения в случае ЬТ-СаАя структуры, выращенной на СаАя подложке, характеризуется наличием хорошо выраженного максимума, от-
Рис. 2: Зависимость относительного изменения коэффициента отражения АЯ/Я0 пленки LT-GaAs от времени задержки между пробным и возбуждающим импульсами.
вечающего временам релаксации порядка т3 ~ 2.5 пс, который сменяется медленным спадом со временем релаксации в т4 ~ 80 пс (рис. 2(б)). На фоне медленного спада отчетливо проявляются осцилляции с частотой «43 ГГц, вызванных мандельштам-бриллюэновским рассеянием зондирующего импульса на когерентных продольных акустических фононах [13].
Электрофизические и спектральные характеристики фотопроводящих антенн. Исследования электрофизических свойств пленок LT-GaAs и спектральных характеристик фотопроводящих антенн (ФПА) на их основе проводились на измерительных образцах, изготовленных методом фотолитографии, с планарными (V-Au металлизация, толщина 0.6 мкм) контактными площадками и антенными элементами различной формы (рис. 3(а)). Образцы размещались на специальных панелях напротив сквозного отверстия диаметром ~4 мм, что позволяло регистрировать генерируемое ФПА высокочастотное излучение в геометрии на просвет, т.е. со стороны кристаллической подложки GaAs. При проведении измерений панель с 4-мя pin-контактами вставлялась в соответствующий держатель (socket), имеющий на выходе стандартный SMA-разъем. Соединение контактных площадок ФПА с токопроводящими дорожками на панели производилось методом термоультразвуковой микросварки.
Предварительно были измерены вольт-амперные характеристики изготовленных образцов LT-GaAs при комнатной температуре. Установка включала регулируемый источник стабилизированного напряжения и измеритель постоянного напряжения, определя-
ющего ток в цепи с помощью включенного последовательно с исследуемым образцом резистором номиналом порядка 15 КОм. На рис. 3(б) приведены данные измерений темнового тока изготовленных ФПА типа stripline и типа bow-tie (рис. 3(а)), в зависимости от приложенного к структуре напряжения Vdc в диапазоне 0-50 В. Характерные величины темновых сопротивлений RaPk исследуемых образцов составляли порядка 109 Ом.
Данные этих измерений позволили оценить удельное темновое сопротивление pdark пленок LT-GaAs. Для этого участок слоя LT-GaAs, расположенный в промежутке между элементами stripline антенны, был условно разбит на семь прямоугольных параллелепипедов различной длины и ширины с высотой, равной толщине пленки (1 мкм). В предположении, что полная проводимость данного участка равна простой сумме про-
оехР
водимостей параллелепипедов, сопоставление Rdark с аналитическим выражением для полного сопротивления дает среднее значение искомой величины Pdark ~ 3 • 106 Ом •см.
Рис. 3: (а) Фотографии изготовленных фотопрюводящих антенн на слое LT-GaAs типа stripline (SL) и bow-tie (BT). (б) Измеренные темновые ВАХ фотопроводящих антенн.
Спектры излучения исследуемых ФПА измерялись в атмосфере с помощью фурье-интерферометра "Grubb-Parsons MK-3". Полная схема установки представлена на рис. 4. Оптическое излучение Ti:Sa лазера, с помощью линзы сфокусированное на участок LT-GaAs слоя, расположенный между электродами, приводило к возбуждению в антенне импульсов фототока (с амплитудой, пропорциональной приложенному напряжению Vdc), которые, в свою очередь, приводили к генерации импульсов высокоча-
Рис. 4: Охема установки для измерения спектров излучения изготовленных фотопро-водящих антенн на основе LT-GaAs.
стотного излучения. Последнее, вышедшее через подложку в свободное пространство, проходило через фильтр, отсекающий рассеянное лазерное излучение, и, собранное параболическим зеркалом PM1 в параллельный пучок, направлялось на вход фурье-интерферометра.
Используемый интерферометр работает по принципу пошагового сканирования ин-терферограммы, осуществляемого перемещением подвижного зеркала интерферометра с помощью микрометрического винта, приводимого во вращение шаговым двигателем (ШД). Шаг сканирования Дж был выбран исходя из известного соотношения: Дж < 1/(2vmax), где vmax - максимальное волновое число в исследуемом спектре, и составлял 25 мкм, что соответствовало максимальной частоте 200 см-1 (6 ТГц). В качестве светоделителя использовалась пленка из майлара толщиной 12 мкм, обеспечивающая максимум сигнала на частоте 105 см-1 (3.3 ТГц). Выходящее из интерферометра высокочастотное излучение с помощью параболического зеркала PM2 фокусировалось на входное окно охлаждаемого жидким гелием германиевого болометра. Сигнал с выхода предусилителя болометра поступал на синхронный усилитель SR830 (излучение лазера модулировалось механическим прерывателем с частотой 315 Гц), затем оцифровывался аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и поступал в компьютер, в котором произ-
Рис. 5: Спектр излучения фотопроводящих антенн на основе LT-GaAs. На вкладке: табличный спектр пропускания атмосферного воздуха при нормальных условиях.
водилась обработка интерферограмм и восстановление спектра излучения посредством алгоритма быстрого преобразования Фурье.
Управление работой фурье-спектрометра осуществлялось автономным микропроцессорным блоком, включающим в себя АЦП, блок управления шаговым двигателем и систему обмена данными с внешним компьютером.
На рис. 5 приведен спектр генерируемого изготовленными фотопроводящими антеннами высокочастотного излучения при средней мощности оптической подсветки (800 нм) порядка 100 мВт и приложенном постоянном напряжении Vdc = 50 В. При этом средние величины токов в антеннах типа stripline и bow-tie составляли порядка 180 и 30 мкА, соответственно. Спектры регистрировались с разрешением около 1 см-1.
Видно, что измеренные спектры характеризуются широкой непрерывной полосой, при этом большая часть излучения сконцентрирована в интервале 5-60 см-1 (0.151.8 ТГц). Наблюдаемая на спектральных зависимостях структура (изрезанность) обусловлена главным образом поглощением излучения парами воды, что подтверждается сопоставлением измеренных кривых с типичным спектром пропускания атмосферы, приведенным на вкладке.
Таким образом, в настоящей работе исследованы динамические характеристики эпи-таксиальных пленок "низкотемпературного" арсенида галлия и фотопроводящих антенн на их основе. Измеренные спектры излучения имеют выраженные максимумы в тера-герцовой области. Показано, что геометрия антенны существенным образом влияет на форму спектра излучения. Для SL-антенны интенсивность в максимуме выше, а частота максимума ниже, чем для BT-антенны, работающей при меньших токах. Существенно, что при изготовлении антенных излучателей использовалась стандартная планарная технология микроэлектроники, что открывает перспективы построения интегрированных ТГц антенных фазированных решеток с управляемой диаграммой направленности.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (ГК № 14.427.11.0004), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 1 "Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий", РФФИ (грант № 15-02-08521а).
ЛИТЕРАТУРА
[1] D. Dragoman and M. Dragoman, Prog. Quantum Electron. 28, 1 (2004).
[2] D. H. Auston, K. P. Cheung, and P. R. Smith, Appl. Phys. Lett. 45, 284 (1984).
[3] Q. Wu and X.-C. Zhang, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 693 (1996).
[4] Y. Cai, I. Brener, J. Lopata, et al., Appl. Phys. Lett. 73, 444 (1998).
[5] Y. C. Shen, P. C. Upadhya, H. E. Beere, et al., Appl. Phys. Lett. 85, 164 (2004).
[6] S. Gupta, M. Y. Frankel, J. A. Valdmanis, et al., Appl. Phys. Lett. 59, 3276 (1991).
[7] L. Hou, W. Shi, IEEE Trans. Electron Devices 60, 1619 (2013).
[8] P. A. Loukakos, C. Kalpouzos, I. E. Perakis, et al., J. Appl. Phys. 91, 9863 (2002).
[9] А. А. Пастор, П. Ю. Сердобинцев, В. В. Чалдышев, ФТП 46(5), 637 (2012).
[10] Т. М. Бурбаев, А. А. Горбацевич, В. И. Егоркин и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 40(8), 15 (2013).
[11] T. Tachizaki, T. Muroya, O. Matsuda, et al., Rev. Sci. Instrum. 77, 043713 (2006).
[12] В. Я. Алешкин, Н. В. Востоков, Д. М. Гапонова и др., ФТП 41(8), 929 (2007).
[13] С. Thomsen, Н. Т. Grahn, H. J. Maris, and J. Tauc, Opt. Commun. 60, 55 (1986).
Поступила в редакцию 18 февраля 2015 г.
