Investigation of carrier kinetics in semiconductors by terahertz radiation pulses ; Krūvininkų kinetikos puslaidininkiuose tyrimai naudojant terahercinės spinduliuotės impulsus

Rasa

Sujets

• Drude model
• Physics
• Plasma oscillation
• Terahertz radiation

Informations

• Publié par: vilnius_university
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Lithuanian
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

VILNIAUS UNIVERSITETAS
FIZINI Ų IR TECHNOLOGIJOS MOKSL Ų CENTRO
PUSLAIDININKI Ų FIZIKOS INSTITUTAS









Rasa Suzanovi čien ė



Kr ūvinink ų kinetikos puslaidininkiuose tyrimai naudojant terahercin ės
spinduliuot ės impulsus






Daktaro disertacija


Fiziniai mokslai, fizika (P 02), puslaidininki ų fizika (P 265)











VILNIUS 2010

Darbas atliktas 2005-2009 m. Puslaidininki ų fizikos institute Optoelektronikos
laboratorijoje.
Mokslinis vadovas:
Prof. habil. dr. Ar ūnas Krotkus (Fizini ų ir technologijos moksl ų centro
Puslaidininki ų fizikos institutas, fiziniai mokslai, fizika -02P,
puslaidininki ų fizika – P265).
Konsultantas:
Dr. Ram ūnas Adomavi čius (Fizini ų ir technologijos moksl ų centro
Puslaidininki ų fizikos institutas, fiziniai mokslai, fizika -02P,
puslaidininki ų fizika – P265).

2
Turinys

1. Įvadas.........................................................................................................................5
2. Ultraspart ūs procesai puslaidininkiuose (literat ūros apžvalga) ...............................10
2.1. Trukmi ų skal ė puslaidininkiams.......................................................................10
2.2. Ultraspar či ų fotolaidumo proces ų tyrimo metodikos ...............16
2.2.1. Realaus laiko oscilografas.........................................................................16
2.2.2. Strobuojantis oscilografas........17
2.2.3. Optoelektronin ė sklend ė ............................................................................18
2.2.4. Elektrooptin ė metodika..............................................................................19
2.3. Optiniai metodai ...............................................................................................20
2.3.1. Fotoliuminescencijos kinetikos tyrimas.....................................................20
2.3.2. Pralaidumas ir atspindys...........................................................................23
2.3.3. Dinamini ų optini ų gardeli ų metodas.........................................................23
2.3.4. Optin ės sugerties įsisotinimo metodas ...............................24
2.4. Puslaidininki ų tyrimo teraherciniais impulsais metodikos ...............................26
2.4.1. Įvadas.........................................................................................................26
2.4.2. THz laikin ės spektroskopijos sistema ................................28
2.4.3. THz optoelektroniniai komponentai ..................................32
2.5. THz generavimas puslaidininkio paviršiuje .....................................................34
3. Eksperimento metodika ...................................................................37
3.1. Optinio kaupinimo – THz zondavimo metodika ..............................................37
3.2. THz signalo registravimo b ūdai........................................................................38
3.3. THz emiterio pasirinkimas .......................................................39
3.4. Pluošt ų sutapatinimas .......................................................................................40
3.5. Eksperimentinis stendas............41
3.5.1. Praktin ės problemos ..................................................................................43
3.6. Pralaidumo THz spinduliuotei analiz ė......................................46
4. Kr ūvinink ų gyvavimo trukm ės matavimai ......................................49
4.1. Pagrindin ės GaMnAs savyb ės ..........................................................................49
4.2. GaAs implantuotas Au jonais ...........................................................................55
5. Elektron ų energijos relaksacijos puslaidininkiuose tyrimai ....................................57
5.1. Eksperimentiniai In Ga As ir Cd Hg Te tyrimo rezultatai ..........................59 x 1-x x 1-x
35.2. Eksperimentini ų rezultat ų analiz ė ir lyginimas su teoriniais skai čiavimais .....61
6. InSb savyb ės THz dažni ų srityje .........................................................................65
6.1. Impulso relaksacijos trukm ė ir elektromagnetin ės spinduliuot ės sugertis .......65
6.2. Medžiagos atsakas į aukštadažn ę spinduliuot ę.................................................67
6.3. Atspindys ir pralaidumas terahercini ų dažni ų ruože ........................................70
6.4. Kompleksinio l ūžio rodiklio spektr ų skai čiavimas. Drud ės modelis ...............73
6.5. InSb elektron ų koncentracijos skai čiavimas.....................................................76
6.6. Pralaidumo tyrim ų rezultatai ....................................................78
6.7. Eksperimentini ų ir teorini ų pralaidumo spektr ų palyginimas ..........................80
6.8. Atspindžio tyrimai ............................................................................................83
6.9. Pralaidumo ir atspindžio metod ų palyginimas .................................................85
7. THz spinduliuot ė iš vario – indžio chalkopyrit ų .....................................................90
8. Išvados .............................................................................................93
Literat ūra.............................................95


41. Įvadas

Beveik visada po puslaidininkin ės technikos atsiradimo pagrindin ė jos
vystimosi kryptis buvo atskir ų komponent ų ir sistem ų spartos didinimas.
Tranzistori ų spartos didinimas l ėm ė vis didesniu takto dažniu veikian či ų
kompiuteri ų atsiradim ą, bei leido sukurti kompaktiškus mikrobanginio
diapazono elektromagnetinio lauko svyravim ų generatorius ir stiprintuvus,
tapusius mobiliojo ryšio sistem ų pagrindu. Pikosekundin ės trukm ės impulsus
generuojantys puslaidininkiniai lazeriniai diodai, ir tokius impulsus
registruojantys puslaidininkiniai fotodetektoriai užtikrino didel ės spartos
(daugiau nei 40 GB/s kanalo pralaid ą užtikrinan či ų) skaidulinio optinio ryšio
sistem ų suk ūrim ą ir paplitim ą. Ši vystimosi tendencija yra vyraujanti ir šiomis
dienomis, geriausias to pavyzdys yra generuojan či ų ir detektuojan či ų 1 THz
bei aukštesnius dažnius puslaidininkini ų komponent ų suk ūrimas.
Ultraspar či ų puslaidininkini ų komponent ų k ūrimas yra ne įmanomas be
gilesnio supratimo, kaip puslaidininkiuose vyksta fizikiniai procesai,
trunkantys kelias pikosekundes ar net mažiau nei vien ą pikosekund ę. Į ši ą laiko
skal ę patenka tokie elektron ų sistemos puslaidininkyje atsako į išorin į
sužadinim ą spart ą apsprendžiantys reiškiniai kaip elektron ų impulso ir
energijos relaksacija, ar nepusiausvir ųj ų kr ūvinink ų gyvavimo trukm ės
medžiagose. Iki pastarojo laiko pagrindinis ultraspar či ųj ų proces ų
puslaidininkiuose tyrimo įrankis buvo optiniai metodai. Juose elektron ų
dinamikai steb ėti buvo pasitelkiami pikosekundini ų ar femtosekundini ų lazeri ų
impulsai. Nepaisant išskirtinai didel ės ši ų metod ų laikin ės skyros, šie
vadinamieji kaupinimo-zondavimo tipo matavimai turi svarb ų tr ūkum ą – jais
gaut ų eksperimentini ų duomen ų interpretacija yra palyginti sud ėtinga.
Matavimo rezultatai dažniausiai yra įtakojami keli ų sistemos parametr ų kitimo,
ir įvairi ų fizikini ų reiškini ų tarpusavio s ąveikos ir tod ėl sunkiai susiejamai su
kuria nors konkretesne elektron ų laikine charakteristika.
Pastaruoju metu atsiranda nauji matavimo metodai naudojantys
terahercinius (THz) impulsus, kurie turi nemažai pranašum ų už optinius
5metodus. THz impulsas, tai apie 0,5 ps trukm ės vienpolis elektrinis impulsas,
generuojamas puslaidininkinio fotolaidininko, apšviesto femtosekundinio
lazerio impulsu. Tokio impulso spektras siekia kelis terahercus, tod ėl jis
sklinda spinduliuot ės pavidalu laisv ąja erdve be specialios konfig ūracijos
perdavimo linij ų. Impulso elektrinio lauko poveikyje puslaidininkyje yra
indukuojama elektros srov ė, kurios dydis priklauso nuo kr ūvininkus
apib ūdinan či ų medžiagos parametr ų: j ų tankio ir judrio. Kadangi THz impulso
trukm ė yra palyginami su pagrindiniais kr ūvinink ų dinamik ą puslaidininkyje
charakterizuojan čiais laikais, tai matavimai, atliekami naudojant šiuos
impulsus leidžia sekti atskiras kr ūvinink ų dinamikos stadijas bei tiesiogiai
nustatyti ši ų stadij ų charakteringas trukmes.
FTMC Puslaidininki ų fizikos instituto Optoelektronikos laboratorijoje,
puslaidininki ų tyrimai panaudojant THz impulsus buvo prad ėti nuo toki ų
impuls ų generavimo femtosekundiniais lazerio impulsais apšviestuose
kristaluose, studij ų. Tiki ų eksperiment ų metu stebimi reiškiniai s ąlygojamai
visos eil ės fizikini ų mechanizm ų. Tod ėl jie teikia daug unikalios informacijos
apie įvairiausias medžiagos charakteristikas. Pavyzdžiui, matuojant THz
impulso amplitud ės priklausomybes nuo kaupinan či ų femtosekundini ų optini ų
impuls ų kvanto energijos buvo tiesiogiai nustatyta, papildom ų laidumo juostos
ekstremum ų InAs ir InSb kristaluose, energetin ė pad ėtis. Dar kitame tyrime,
zonduojant optinio impulso sužadint ų elektron ų sukeliam ą THz impuls ų
sugerties kitim ą laike, germanio kristaluose, pirm