低溫生長(zhǎng)砷化鎵的超快光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)光譜?

樊正富 譚智勇 萬(wàn)文堅(jiān) 邢曉 林賢 金鉆明 曹俊誠(chéng) 馬國(guó)宏?

1)(上海大學(xué)物理系,上海200444)2)(中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200050)

低溫生長(zhǎng)砷化鎵的超快光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)光譜?

樊正富1)譚智勇2)萬(wàn)文堅(jiān)2)邢曉1)林賢1)金鉆明1)曹俊誠(chéng)2)馬國(guó)宏1)?

1)(上海大學(xué)物理系,上海200444)2)(中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200050)

(2016年12月7日收到;2017年1月19日收到修改稿)

本文采用光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)研究了低溫生長(zhǎng)砷化鎵(LT-GaAs)中光生載流子的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程.光激發(fā)LT-GaAs薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而增加,最后達(dá)到飽和,其飽和功率為54μJ/cm2.當(dāng)載流子濃度增大時(shí),電子間的庫(kù)侖相互作用將部分屏蔽缺陷對(duì)電子的俘獲概率,從而導(dǎo)致LT-GaAs的快速載流子俘獲時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而變長(zhǎng).光激發(fā)薄層電導(dǎo)率的色散關(guān)系可以用Cole-Cole Drude模型很好地?cái)M合,結(jié)果表明LT-GaAs內(nèi)部載流子的散射時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加和延遲時(shí)間(產(chǎn)生光和抽運(yùn)光)變長(zhǎng)而增加,主要來(lái)源于電子-電子散射以及電子-雜質(zhì)缺陷散射共同貢獻(xiàn),其中電子-雜質(zhì)缺陷散射的強(qiáng)度與光激發(fā)薄層載流子濃度密切相關(guān),并可由散射時(shí)間分布函數(shù)α來(lái)描述.通過(guò)對(duì)光激發(fā)載流子動(dòng)力學(xué)、光激發(fā)薄層電導(dǎo)率以及遷移率變化的研究,我們提出適當(dāng)增加缺陷濃度,可以進(jìn)一步降低載流子遷移率和壽命,為研制和設(shè)計(jì)優(yōu)良的THz發(fā)射器提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

低溫生長(zhǎng)砷化鎵,超快太赫茲光譜,光電導(dǎo)

1 引言

低溫生長(zhǎng)砷化鎵(LT-GaAs)具有高載流子遷移率和快載流子俘獲速率[1?3],以及高暗電阻率和高擊穿電場(chǎng)閾值等優(yōu)點(diǎn),是研制超快光導(dǎo)開(kāi)關(guān)和全光開(kāi)關(guān)[4]以及高效THz發(fā)射器[5,6]和高靈敏度THz探測(cè)器的理想材料.

早在20世紀(jì)80年代,Auston等[7]利用光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了2.3 ps THz脈沖發(fā)射,該脈沖在自由空間傳播后可以被另一個(gè)與發(fā)射源相同的裝置檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)了基于光電導(dǎo)天線的THz發(fā)射和探測(cè),它標(biāo)志著超快THz光電子學(xué)的誕生.作為產(chǎn)生THz脈沖的關(guān)鍵介質(zhì)——光電導(dǎo)材料,應(yīng)具有短的載流子壽命、低的光折射率、窄的帶隙、強(qiáng)的光吸收能力、高的載流子遷移率以及高的耐擊穿電壓.LT-GaAs是最常用的光電導(dǎo)材料.通過(guò)低溫條件下(約300 K)生長(zhǎng)的GaAs,會(huì)引入大量的缺陷,從而形成載流子的俘獲陷阱或復(fù)合中心.LT-GaAs中主要存在兩種載流子俘獲機(jī)制:在缺陷俘獲模型中,反位點(diǎn)缺陷[8]AsGa形成類EL2能級(jí)[9]俘獲載流子;在肖特基勢(shì)壘模型中[5],產(chǎn)生的As沉淀對(duì)載流子復(fù)合起主要作用,會(huì)形成載流子的復(fù)合中心.值得一提的是,LT-GaAs的光激發(fā)載流子還會(huì)受到聲子散射、低載流子遷移率以及長(zhǎng)載流子壽命影響,導(dǎo)致產(chǎn)生的THz頻譜較窄以及THz發(fā)射效率不高.因而研究LT-GaAs薄膜中的載流子激發(fā)與俘獲機(jī)制,光生載流子與晶格和缺陷等的散射動(dòng)力學(xué),尤其是光生載流子濃度對(duì)載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響是極其重要的,目前這方面研究較少.本文通過(guò)THz時(shí)間分辨光譜技術(shù),系統(tǒng)研究了光生載流子濃度對(duì)載流子壽命、電導(dǎo)率以及遷移率的影響,發(fā)現(xiàn)電子-缺陷散射與光生載流子濃度有顯著的依賴關(guān)系.本文研究結(jié)果可為研制和設(shè)計(jì)優(yōu)良的THz發(fā)射器提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)技術(shù)[10?14]是一種非接觸、高靈敏的超快載流子動(dòng)力學(xué)光譜技術(shù).該光譜技術(shù)可以直接觀測(cè)到樣品信號(hào)由于光致變化而反映出的信息.太赫茲輻射對(duì)半導(dǎo)體表面的自由載流子分布和變化非常敏感,適合于探測(cè)光激發(fā)載流子的弛豫過(guò)程.本文采用光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)技術(shù)研究LT-GaAs中光生載流子超快載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程,包括其載流子弛豫時(shí)間和光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs以及遷移率的變化情況.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比于GaAs,LT-GaAs有一個(gè)快速的載流子俘獲過(guò)程,光激發(fā)薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而增加,在54μJ/cm2時(shí)達(dá)到飽和,并觀測(cè)到LT-GaAs的載流子快過(guò)程俘獲時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而變長(zhǎng),載流子的散射時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加和延遲時(shí)間變長(zhǎng)而增加.

2 實(shí)驗(yàn)

本文研究的LT-GaAs由分子束外延方法生長(zhǎng)在半絕緣的GaAs襯底上.圖1(a)是樣品結(jié)構(gòu)圖,其中200 nm的GaAs緩沖層生長(zhǎng)溫度為600?C,2μm厚LT-GaAs的生長(zhǎng)溫度為300?C.最后樣品在(600—630?C)原位退火10Min.

LT-GaAs的超快載流子動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)由標(biāo)準(zhǔn)的光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)(OPTP)實(shí)驗(yàn)裝置完成.實(shí)驗(yàn)光源來(lái)自鈦寶石激光器,激光脈沖寬度約為120 fs,中心波長(zhǎng)為800 nm,脈沖的重復(fù)頻率是1 kHz.

圖1 (a)LT-GaAs樣品結(jié)構(gòu);(b)光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)光路Fig.1.(a)The saMp le structure of LT-GaAs in the p resent study;(b)op tical alignMent for op tical puMp and THz p robe spectroscopy.

時(shí)間分辨的太赫茲光譜系統(tǒng)是利用同步產(chǎn)生的紅外抽運(yùn)脈沖和太赫茲探測(cè)脈沖實(shí)現(xiàn)測(cè)量的.圖1(b)給出了實(shí)驗(yàn)光路圖,其中入射超快激光脈沖分成三束:產(chǎn)生光(產(chǎn)生THz輻射)、抽運(yùn)光和探測(cè)光.產(chǎn)生光脈沖作用于(110)取向ZnTe晶體而產(chǎn)生THz輻射,產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)由4個(gè)離軸拋物鏡(PM1,PM2,PM3,PM4)進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦,并聚焦到另一塊ZnTe表面進(jìn)行電光取樣.抽運(yùn)光用于激發(fā)樣品,使其產(chǎn)生光生載流子.探測(cè)光與THz波共線地入射到ZnTe表面,經(jīng)過(guò)ZnTe單晶后,在探測(cè)光路上依次放置準(zhǔn)直透鏡、λ/4波片,Wollaston棱鏡和平衡光電探測(cè)器.由平衡光電探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)鎖相放大器放大后由計(jì)算機(jī)讀取存儲(chǔ).樣品處THz光斑直徑為1 mm,而抽運(yùn)光的光斑尺寸為3 mm.THz波的產(chǎn)生和探測(cè)由兩片(110)取向的ZnTe晶體完成.OPTP系統(tǒng)有兩個(gè)延遲線(線1和線2),首先掃描線1獲得THz時(shí)間分辨光譜,為了研究某一延遲時(shí)間下的激發(fā)態(tài)載流子的色散關(guān)系,我們將線1固定在特定的延遲時(shí)間(如1 ps和5 ps),然后掃描線2,可以得到該延遲時(shí)間下的THz時(shí)域光譜.通過(guò)數(shù)據(jù)處理,可以得到光激發(fā)載流子電導(dǎo)率的實(shí)部和虛部.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

THz波對(duì)半導(dǎo)體表面的自由載流子分布和變化十分敏感.實(shí)驗(yàn)中,可以通過(guò)在不同抽運(yùn)功率下的THz瞬態(tài)透過(guò)變化率(?T/T)來(lái)探測(cè)樣品內(nèi)部光激發(fā)載流子電導(dǎo)率的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.其中T為未受光激發(fā)時(shí),THz脈沖透過(guò)LT-GaAs的峰值透過(guò)率,?T為光激發(fā)后樣品的峰值透過(guò)率與未受光激發(fā)時(shí)的峰值透過(guò)率之差.

圖2給出本征GaAs和LT-GaAs的THz時(shí)間分辨光譜,歸一化??T/T上升時(shí)間為光激發(fā)產(chǎn)生的自由載流子對(duì)THz波的吸收過(guò)程.相比于本征GaAs,LT-GaAs的歸一化??T/T有一個(gè)快速回復(fù)的過(guò)程.THz透過(guò)率的快速回復(fù)過(guò)程來(lái)源于光激發(fā)自由載流子被LT-GaAs中缺陷的快速俘獲.

圖2 LT-GaAs和本征GaAs瞬態(tài)透過(guò)變化率?T/T隨抽運(yùn)-探測(cè)延遲時(shí)間的變化Fig.2.The transient transMittance of LT-GaAs and intrinsic GaAs wafer.

光激發(fā)LT-GaAs電導(dǎo)率σ與?T/T之間的關(guān)系由下面公式表示[15,16]:

其中,n為樣品襯底的折射率,Z0為自由空間阻抗,d為光在樣品中的穿透深度.為簡(jiǎn)單起見(jiàn),這里考慮光激發(fā)薄層電導(dǎo)率(sheet conductivity)σs=σ/d.

為了更完整地研究LT-GaAs的超快載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程,圖3(a)給出了不同抽運(yùn)功率下THz瞬態(tài)透過(guò)率的變化.抽運(yùn)功率為1.5μJ/cm2時(shí),樣品處于非飽和狀態(tài),響應(yīng)曲線分為三個(gè)過(guò)程,上升過(guò)程是光激發(fā)樣品產(chǎn)生大量自由電子使太赫茲透過(guò)率迅速降低的過(guò)程,即?T/T迅速變小,相應(yīng)的σs迅速增大.接著的快速回復(fù)過(guò)程是LT-GaAs缺陷快速俘獲自由電子的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程中THz的透過(guò)率迅速恢復(fù),從而σs迅速減小.最后一個(gè)慢過(guò)程源于電子-空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程,該過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng).圖3(a)表明抽運(yùn)功率在1.5—5.0μJ/cm2時(shí),樣品的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率線性增加.當(dāng)功率為15μJ/cm2時(shí),樣品接近飽和狀態(tài).當(dāng)功率為60μJ/cm2時(shí),樣品的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率已完全飽和.由于LT-GaAs內(nèi)部缺陷數(shù)量是有限的,當(dāng)光生自由載流子將缺陷填滿時(shí),LT-GaAs就不再具備俘獲載流子的能力.因此可以通過(guò)增加缺陷的數(shù)量去提高載流子的飽和光強(qiáng).圖3(a)中的插圖是500 ps窗口下的抽運(yùn)-探測(cè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)自由電子在快速俘獲過(guò)程之后會(huì)有很長(zhǎng)時(shí)間的慢弛豫過(guò)程,顯然這個(gè)慢過(guò)程的時(shí)間大于500 ps.

圖3(b)是圖3(a)的歸一化曲線.當(dāng)樣品處于臨界飽和狀態(tài)時(shí),缺陷俘獲自由載流子的快過(guò)程也隨之減慢.圖3(b)中的插圖是缺陷俘獲電子快過(guò)程的放大圖.當(dāng)樣品完全飽和后,快過(guò)程消失,同時(shí)還可以看到LT-GaAs產(chǎn)生自由電子上升過(guò)程也變慢了.

對(duì)圖3(a)中載流子的弛豫快過(guò)程可以很好地用單指數(shù)擬合,圖3(c)給出擬合的快過(guò)程壽命與激發(fā)功率的關(guān)系,插圖中給出激發(fā)功率為5μJ/cm2時(shí)的單指數(shù)擬合曲線,可見(jiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合很好.

由圖3(c)可以看到,抽運(yùn)光功率越高,缺陷俘獲快過(guò)程越慢.考慮快過(guò)程主要由電子-聲子和電子-雜質(zhì)缺陷散射過(guò)程主導(dǎo)(電子-空穴復(fù)合壽命在納秒量級(jí),這里可以忽略不計(jì)),其觀測(cè)到的弛豫時(shí)間可表示為

其中τ是觀測(cè)的總弛豫時(shí)間,τe-p是電子-聲子弛豫時(shí)間,τe-d是電子-雜質(zhì)缺陷弛豫時(shí)間,A是隨載流子濃度變化而變化的系數(shù).τe-p由材料性質(zhì)決定,是不隨激發(fā)光功率變化的一個(gè)常數(shù).根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以推測(cè)光強(qiáng)變強(qiáng)時(shí),載流子壽命變長(zhǎng),表明高功率下缺陷俘獲載流子概率變小,即系數(shù)A變小.這是由于高的激發(fā)功率下,載流子濃度較高,電子間的庫(kù)侖相互作用部分屏蔽了缺陷對(duì)電子的俘獲概率.電子間由于庫(kù)侖作用而導(dǎo)致缺陷對(duì)電子俘獲概率下降的過(guò)程將在下面討論光激發(fā)薄層電導(dǎo)率色散關(guān)系中予以詳細(xì)討論.

圖3(d)是光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的峰值和抽運(yùn)功率之間的變化關(guān)系圖.可以用下面關(guān)系式擬合[17,18]:

其中Fp是抽運(yùn)功率,Fs是可吸收飽和光強(qiáng),a和b是常數(shù).擬合曲線給出的飽和光強(qiáng)的大小是54μJ/cm2.通過(guò)飽和光強(qiáng)可以知道線性區(qū)域范圍.

圖3 (a)(網(wǎng)刊彩色)不同抽運(yùn)光強(qiáng)下光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的載流子動(dòng)力學(xué),插圖是較長(zhǎng)時(shí)間尺度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(b)歸一化光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的載流子動(dòng)力學(xué),插圖是快過(guò)程放大圖;(c)快過(guò)程俘獲時(shí)間隨抽運(yùn)功率變化關(guān)系,插圖為單指數(shù)擬合曲線;(d)光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs峰值隨抽運(yùn)功率變化關(guān)系Fig.3.(color online)(a)DynaMics of transient photoinduced sheet conductivityσs w ith several puMp fl uence,the inset illustrates transient sheet photoconductivity in a 500 ps tiMe w indow;(b)norMalized transient photoinduced sheet conductivityσs,the inset is a zoom-in of the fast p rocess;(c)the fi tting fast relaxation tiMe as a function of puMp fl uence;(d)peak sheet conductivityσs as a function of puMp fl uence,the solid line is the fi tting curve w ith the fi tting function shown in the figure.

可以通過(guò)分析電導(dǎo)率色散關(guān)系得到樣品內(nèi)部光激發(fā)薄層載流子濃度、散射時(shí)間和遷移率這些重要參數(shù).最常用的電導(dǎo)率模型是Drude模型,即假設(shè)電子是自由的,電子之間沒(méi)有相互作用.我們的LT-GaAs數(shù)據(jù)中,Drude模型不能完全解釋電導(dǎo)率和頻率的依賴關(guān)系.這里,我們利用由Debye模型[19,20]修改而得到的Cole-Cole D rude(CC Drude)[12]模型來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)上獲得的電導(dǎo)率色散關(guān)系.一般半導(dǎo)體中,由于缺陷濃度較小,光激發(fā)載流子表現(xiàn)的電導(dǎo)率色散關(guān)系可以用自由電子模擬——Drude模型來(lái)很好地處理.但是在LT-GaAs中,由于存在大量的缺陷,這些缺陷很容易俘獲導(dǎo)帶中的自由電子.缺陷俘獲導(dǎo)帶電子過(guò)程是非彈性碰撞過(guò)程,其過(guò)程與電子-聲子彈性碰撞過(guò)程不同.因此在LT-GaAs中會(huì)引入新的散射,這時(shí)就需要用C-C D rude模型來(lái)擬合.實(shí)際上,電子-電子間的庫(kù)侖作用和電子-雜質(zhì)缺陷俘獲過(guò)程是個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程.電子濃度較小時(shí),電子間的庫(kù)侖相互作用不足以屏蔽缺陷對(duì)電子的俘獲過(guò)程,因而低激發(fā)光強(qiáng)下,缺陷對(duì)激發(fā)態(tài)電子俘獲概率較大,表現(xiàn)為電子壽命較短;而高光強(qiáng)下,電子濃度較高,電子間的庫(kù)侖作用部分屏蔽了缺陷對(duì)電子的俘獲概率,導(dǎo)致激發(fā)態(tài)電子壽命較長(zhǎng).這可從圖3(c)中清楚地看到.為定量描述光激發(fā)載流子對(duì)電導(dǎo)率以及散射時(shí)間的貢獻(xiàn),在Drude模型中引入一個(gè)散射時(shí)間分布參數(shù)α[21,22],用以表征電子-雜質(zhì)缺陷間的相互作用,這就是C-C D rude模型[13,24].該模型中,α越大,電子-雜質(zhì)缺陷散射就越大,即光激發(fā)薄層載流子濃度越小,α就越大.光激發(fā)薄層電導(dǎo)率色散關(guān)系可以表述為[12]

其中σs是光激發(fā)薄層電導(dǎo)率,ε0是自由空間介電常數(shù),τs是散射時(shí)間,ω是頻率,α是散射時(shí)間分布參數(shù),ωp是等離子振蕩頻率是光激發(fā)薄層載流子濃度).當(dāng)α=0時(shí),(4)式退化為Drude模型.如圖4所示,實(shí)線是C-C Drude模型擬合曲線,虛線是Drude模型擬合曲線.對(duì)比Drude模型和C-C Drude模型,C-C Drude模型能更好擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

對(duì)比圖4(a)和圖4(b),可以得到抽運(yùn)功率越大,樣品內(nèi)部光激發(fā)薄層電導(dǎo)率越大.通過(guò)C-C Drude模型擬合電導(dǎo)率,可以得知當(dāng)抽運(yùn)光功率變強(qiáng)時(shí),光激發(fā)薄層載流子濃度變大(從2×1010cm?2變到9.9×1010cm?2),遷移率也變大(從950 cm?1·V?1·s?1變到1700 cm?1·V?1·s?1),即散射時(shí)間τs變大.其中圖4(a)中α=0.8,圖4(b)中α=0.06,即電子濃度越小時(shí),電子-雜質(zhì)缺陷散射越顯著.在圖4(a)中,散射主要來(lái)源于電子-雜質(zhì)缺陷散射,這時(shí)自由電子濃度小(2×1010cm?2),電子-電子間的庫(kù)侖作用不足以屏蔽電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對(duì)電子的俘獲概率變得更大,從而散射變得更加劇烈.在圖4(b)中,抽運(yùn)光功率提高意味著樣品產(chǎn)生的自由電子數(shù)量多(9.9×1010cm?2),電子-電子間的庫(kù)侖作用部分地屏蔽了電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對(duì)電子的俘獲概率變得更小,從而散射變得更弱.因而,高激發(fā)光強(qiáng)下,載流子表現(xiàn)出較長(zhǎng)的壽命和較大的遷移率,這主要源于電子-電子間的庫(kù)侖作用對(duì)電子-雜質(zhì)缺陷散射的屏蔽作用.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)在抽運(yùn)功率為2μJ/cM2和延遲時(shí)間為1 ps時(shí),光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs色散關(guān)系;抽運(yùn)功率為15μJ/cM2和延遲時(shí)間為(b)1 ps和(c)5 ps時(shí),光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs色散關(guān)系.圖中虛線和實(shí)線分別為D rude和C-C D rude模型擬合曲線Fig.4.(color on line)(a)Sheet conductivity spetra of photocarreir at puMp fl uence of 2μJ/cM2 at selected puMp-p robe delays t p=1 ps;sheet conductivity spectra of photocarrier at puMp fl uence 15μJ/cM2 at selected puMp-p robe delays t p=1 ps(b)and 5 ps(c).The dash and solid lines are the fi tting curves w ith D rude and Cole-Cole D rude Model,respectively.

對(duì)比圖4(b)和圖4(c),可以看到延遲時(shí)間越長(zhǎng),樣品內(nèi)部的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率越小.通過(guò)C-C Drude模型擬合電導(dǎo)率,光激發(fā)薄層載流子濃度Ns從1 ps的9.9×1010cm?2降低到5 ps的1.4×1010cm?2,而遷移率卻從1700 cm?1·V?1·s?1增加到3000 cm?1·V?1·s?1,即散射時(shí)間τs變大.此外,圖4(c)中擬合結(jié)果給出了α=0.4,表明隨著電子濃度減小,電子間的庫(kù)侖屏蔽作用降低,電子-雜質(zhì)缺陷散射概率逐漸增大.由于此時(shí)缺陷濃度過(guò)低,從而電子-雜質(zhì)缺陷散射并不是很劇烈,因而,隨著延遲時(shí)間增加,遷移率變大.表1中列出了不同抽運(yùn)功率和延遲時(shí)間下,利用C-C Drude模型擬合光激發(fā)薄層電導(dǎo)率變化的擬合參數(shù).

表1 不同抽運(yùn)功率和延遲時(shí)間下,C-C D rude模型擬合LT-GaAs薄膜中光激發(fā)薄層載流子電導(dǎo)率參數(shù)Tab le 1.Fitting paraMeters of photoinduced sheet conductivity in LT-GaAs fi lMw ith Cole-Cole D rude Model under d iff erent puMp fl uences and puMp-p robe delays.

我們的實(shí)驗(yàn)和理論分析表明,LT-GaAs作為THz發(fā)射和探測(cè)的重要材料,在合適的光強(qiáng)下才能達(dá)到最佳工作狀態(tài)[23,24],過(guò)高的光強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致輻射的THz頻率變窄的同時(shí),也會(huì)導(dǎo)致其輻射效率下降.適當(dāng)增加缺陷濃度,可以進(jìn)一步降低載流子遷移率和壽命.

4 結(jié)論

本文采用光抽運(yùn)-太赫茲探測(cè)技術(shù),系統(tǒng)研究了LT-GaAs受激載流子的超快載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程.LT-GaAs光激發(fā)薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而增加,最后趨于飽和,飽和功率為54μJ/cm2.LT-GaAs有載流子俘獲快過(guò)程,其俘獲時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加而變長(zhǎng),是因?yàn)檩d流子濃度變大時(shí),電子間的庫(kù)侖相互作用部分屏蔽了缺陷對(duì)電子的俘獲概率.光激發(fā)薄層電導(dǎo)率的色散關(guān)系很好地符合Cole-Cole D rude模型.擬合結(jié)果表明LT-GaAs內(nèi)部載流子的散射時(shí)間隨抽運(yùn)光強(qiáng)增加和延遲時(shí)間變長(zhǎng)而增加,主要來(lái)源于電子-電子散射以及電子-雜質(zhì)缺陷散射共同貢獻(xiàn):當(dāng)電子濃度很小時(shí),電子-電子間的庫(kù)侖作用不足以屏蔽電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對(duì)電子俘獲概率較大,而當(dāng)電子濃度較高時(shí),電子間的庫(kù)侖作用將部分屏蔽缺陷對(duì)電子的俘獲過(guò)程,而導(dǎo)致激發(fā)態(tài)電子具有較長(zhǎng)的壽命和較大的遷移率.不過(guò)當(dāng)延遲時(shí)間變長(zhǎng)時(shí),由于缺陷濃度過(guò)低,從而電子-雜質(zhì)缺陷散射并不是很劇烈,因而,延遲時(shí)間變長(zhǎng)時(shí),電子濃度變小,遷移率卻變大.我們的研究結(jié)果為研制和設(shè)計(jì)優(yōu)良的THz發(fā)射器提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

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(Received 7 DeceMber 2016;revised Manuscrip t received 19 January 2017)

PACS:78.30.Fs,78.47.–p,72.20.–iDOI:10.7498/aps.66.087801

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.11674213,11604202,61405233),the National Key Scientific InstruMent and EquipMent DevelopMent Project of China(G rant No.2011YQ150021),and the Research Innovation Fund of the Shanghai Education ComMittee,China(G rant No.14ZZ101).

?Corresponding author.E-Mail:ghMa@staff.shu.edu.cn

Study on u ltrafast dynaMics of low-teMperatu re grow n GaA s by op tical puMp and terahertz p robe spectroscopy?

Fan Zheng-Fu1)Tan Zhi-Yong2)Wan Wen-Jian2)Xing Xiao1)Lin Xian1)Jin Zuan-Ming1)Cao Jun-Cheng2)Ma Guo-Hong1)?

1)(DepartMent of Physics,Shanghai University,Shanghai 200444,China)2)(Key Laboratory of Terahertz Solid State Technology,Shanghai Institu te MicrosysteMand InforMation Technology,Chinese AcadeMy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Low-teMperature-grown GaAs(LT-GaAs)possesses high carrierMobility,fast charge trapping,high dark resistance,and large threshold breakdown voltage,which make LT-GaAs a fundamental material for fabricating the ultrafast photoconductive sw itch,high effi cient terahertz eMitter,and high sensitive terahertz detector.A lthough lotsof researches have been done on the optical and optoelectrical p roperties of LT-GaAs,the u ltrafast dynaMics of the photoexcitation and the relaxation mechanisMare still unclear at present,especially when the photocarrier density is close to or higher than the defect density in the LT-GaAs,the dispersion of photocarriers show s a coMp licated puMp fluence dependence.W ith the developMent of THz science and technology,the terahertz spectroscopy has becoMe a powerful spectroscopic method,and the advantages of thismethod are contact-free,highly sensitive to free carriers,and sub-picosecond time resolved.In this article,by eMp loying op tical puMp and terahertz probe spectroscopy,we investigate the ultrafast carrier dynaMics of photogenerated carriers in LT-GaAs.The resu lts reveal that the LT-GaAs has an u ltrafast carrier cap ture p rocess in contrast w ith that in GaAs wafer.The photoconductivity in LT-GaAs increases linearly w ith puMp fluence at low power,and the saturation can be reached when the puMp fluence is higher than 54μJ/cM2.It is also found that the fast process shows a typical relaxation time of a few ps contributed by the capture of defects in the LT-GaAs,which is strongly dependent on puMp fluence:higher puMp fl uence show s longer relaxation tiMe and larger carrierMobility.By eMp loying Cole-Cole D rudeModel,we can reproduce the photoconductivity well.Our results reveal that photocarrier relaxation time is doMinated by the carrier-carrier Coulomb interaction:under low carrier density,the carrier-carrier Coulomb interaction is too sMall to screen the iMpurity-carrier scattering,and iMpurity-carrier scattering p lays an iMportant role in the photocarrier relaxation p rocess.On the other hand,under high puMp fluence excitation,the carrier-carrier Coulomb interaction screens partially the iMpurity-carrier scattering,which leads to the reduction of iMpurity-carrier scattering rate.As a result,the photocarrier lifetiMe andMobility increasew ith increasing puMp fluence.The experimental findings provide fundamental information for developing and designing an effi cient THz eMitter and detector.

low temperature GaAs,ultrafast THz spectroscopy,photoconductivity

10.7498/aps.66.087801

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11674213,11604202,61405233)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):2011YQ 150021)和上海市教委重點(diǎn)課題(批準(zhǔn)號(hào):14ZZ101)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:ghMa@staff.shu.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn