Определение верхних положений энергетических зон в полупроводниках с помощью ТГц спектроскопии

ИЮН012020

Терагерцевое излучение (ТГц) – это общий термин для электромагнитных волн в диапазоне спектра от 0.1 до 10 ТГц. Иногда ТГц спектр определяется как Т-лучи, особенно в отношении методов визуализации. Частота 1 ТГц соответствует длине волны 300 мкм (или 0.3 мм) и волновому числу 33 см^-1. В целом можно считать, что ТГц поля имеют длины волн от 3 мм (0.1 ТГц или 100 ГГц) до 30 мкм (10 ТГц). Этот интервал длин волн находится между верхним краем спектра миллиметровых волн и нижним краем оптического спектра и соответствует границе спектральной области в дальней инфракрасной области (FIR).

Короткие ТГц импульсы чаще всего используются для Фурье-спектроскопии поглощения и отражения. Спектры поглощения многих полярных молекул, например H₂O, С, N₂, O₂, O₃, HCl, CO, SO₂, CH₃CN и т.д. имеют много четких спектральных пиков в ТГц диапазоне. Эти уникальные «подписи» молекул в ТГц диапазоне имеют первостепенное значение для мониторинга окружающей среды, обнаружения загрязнений воздуха, обнаружения газов, обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ.

Большинство полупроводников, при облучении их фемтосекундным лазерным излучением, испускают короткие электромагнитные импульсы, Фурье-спектры которых уходят далеко в ТГц область частот. Взаимодействие фемтосекундного оптического импульса с полупроводниковым материалом приводит к различным физическим эффектам: всплеску фототока в поверхностном электрическом поле, поверхностному фотонапряжению из-за различных скоростей возбужденных электронов и дырок (эффект Дембера) и оптическому выпрямлению из-за нелинейнооптических восприимчивостей второго или третьего порядка.

Следовательно, помимо того, что полупроводник является источником ТГц импульсов для систем спектроскопии во временной области, ТГц-генерация на поверхностях полупроводников также может быть ценным инструментом для исследования различных характеристик самого полупроводника.

Измерение амплитуды испускаемого ТГц импульса как функции длины волны фемтосекундного лазера можно использовать для определения межзонного разделения энергии в зонах проводимости. Увеличение энергии фемтосекундного лазерного импульса приводит к увеличению амплитуды ТГц импульса до тех пор, пока избыточная энергия фотовозбужденного электрона в основной зоне G не достигает энергетического положения вспомогательных L или X минимумов и начинает уменьшаться после наступления межзонных переходов электронов, приводящих к уменьшению времени релаксации импульса электрона. Для зависимости амплитуды ТГц импульса от длины волны фемтосекундного лазерного импульса наблюдались четкие максимумы как для InAs, так и для InSb, что использовалось для оценки межзонного разделения энергии в зонах проводимости этих полупроводников, равной 1.08 эВ и 0.53 эВ, соответственно ^[1].

С помощью описанных выше процедур были измерены ТГц спектры возбуждения двух образцов Ga_xIn_1-xAs ^[2]: эпитаксиальный слой с решетчатой структурой (x = 0.47), выращенный на подложке InP, и слой Ga_0.8In_0.2As, выращенный на подложке GaAs. Если вершины спектральных пиков плоские, то это позволяет раздельно оценить межзонное разделение энергий Γ-L и Γ-X. Результаты этих измерений GaAs представлены на рис. 1. Значения этих параметров, определенных с учетом непараболичности зоны проводимости, приведены на рис. 2 вместе с данными, соответствующими InAs ^[1] и GaAs ^[3].

Как видно из этого рисунка, наши результаты показывают, что зоны L и X в In_xGa_1-xAs лежат при более высоких энергиях, как это предполагалось ранее, и их энергетическое положение меняется в зависимости от состава сплава, отображенное лишь небольшим изгибом.

Рис. 1. Определение межзонного разделения энергии по ТГц спектрам возбуждения

Рис. 2. Энергетические положения зон Г, X и L в Ga_xIn_1-xAs в зависимости от соотношения состава «X»

Ссылки

1. R. Adomavicius, G. Molis, A. Krotkus, V. Sirutkaitis, "Spectral dependencies of terahertz emission from InAs and InSb", Appl. Phys. Lett., 87, 261101 (2005).
2. G. Molis, A. Krotkus, and V. Vaičaitis, "Intervalley separation in the conduction band of InGaAs measured by terahertz excitation spectroscopy", Applied. Physics Letters, 94, 091104 (2009).
3. A. Dargys, J. Kundrotas, Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP, Science and Encyclopedia Publishers, Vilnius, 1994.

Подробные характеристики
Терагерцового (ТГц) спектрометра реального времени T-SPEC