时域太赫兹波谱法研究高电场下砷化镓内高频段的负微分电导特性

目前制约太赫兹技术应用的主要瓶颈之一就是还没有高效率的太赫兹源。耿氏二极管是最常用的亚太赫兹振荡器，其工作频率一般可达到100 GHz左右。耿氏二极管中存在负微分电导现象；而负微分电导的存在，是激发出亚太赫兹电磁波的先决条件。理论研究表明砷化镓中负微分电导所能持续的频率要远高于目前的耿氏二极管的工作频率，可达到太赫兹波段。在实验研究砷化镓内可持续到太赫兹波段的负微分动态电导时，因缺乏工作在太赫兹波段的可调谐AC振荡源而无法直接进行频域测量。本项目中我们拟通过对高电场下砷化镓中载流子的非平衡运动动力学过程的测量（时间域），结合熵最大法、傅立叶数学变化等数学处理方法，去研究砷化镓中可持续到太赫兹波段的负微分电导特性（频率域）；同时基于实验结果，进一步研究制约负微分电导极限频率的物理机理。项目的顺利实施将是提高现有耿氏二极管工作频率和研究新型的基于III-V族半导体的太赫兹振荡器的关键。

采用时域太赫兹波谱法研究砷化镓内高频段的负微分电导特性。利用飞秒脉冲激光瞬时激发砷化镓材料产生载流子，通过观察光生载流子在外加电场作用下动力学运动所辐射出的太赫兹电磁波的变化情况，得到砷化镓的动态电导谱特性。通过该动态电导谱找出负微分电导的极限频率并研究制约此极限频率的物理机理。这一研究对于制备基于砷化镓材料的太赫兹器件有着重要的指导意义。主要研究结果包括：.1.利用太赫兹时域波谱系统，研究了块体砷化镓材料中负微分电导特性。测试样品为金属—本征砷化镓—掺杂砷化镓（m-i-n结构），金属与本征砷化镓间为肖特基接触，n型砷化镓与后电极间为欧姆接触。研究结果表明，这种结构的外加偏压可以到300kV/cm。当场强小于50kV/cm时，外加偏压越大，辐射的太赫兹信号越大。但是当场强大于50km/cm时，随着场强增大，太赫兹的辐射却降低，这主要是由于砷化镓Γ谷中电子在高电场作用下能够获得足够能量，发生了Γ谷与L谷间跃迁造成的。由测到的太赫兹波形可以得到电子的功率耗散谱。当场强小于50kV/cm时，随着场强增大，功率负耗散（即增益）的截至频率逐渐增大；而高于50kV/cm时，截至频率会在1THz处饱和（室温条件下）。截至频率主要由光学声子的发射决定。从太赫兹的辐射波形中，我们还能得到非平衡载流子的传输时间，从它与温度的依赖关系可以得到：它主要由Γ谷中的极性散射过程中纵光学声子的发射所决定。.2.基于m-i-n结构，研究了微纳结构对太赫兹辐射性能的影响。本征层砷化镓上的微纳结构，对泵浦飞秒激光有更高的吸收效率，高达90%，而没有微纳结构时吸收效率为50%左右。微纳结构还使材料具有更高的空穴与电子的复合机会，电流密度产生更大的瞬时变化，产生能量较强的太赫兹辐射。实验测得相同的电场强度及光电流下，有微纳结构的器件频谱宽度能到达3.0 THz，与无结构的器件相比辐射强度明显增加，在1.5~2.5 THz处，前者比后者的动态范围高出近10 dB。这种强度上的增加，可能是由于微纳结构作为复合中心使得载流子数量急剧变化引起的。