半导体光致载流子时空特性的太赫兹成像研究

Properties of the carrier transportation are the bases for the manufacture of semiconductor devices. To study the evolution process of photo-generated carriers, the traditional terahertz time-resolved spectroscopy can only measure the temporal properties of carriers, but ignore their spatial distribution. In this project, the terahertz focal-plane imaging method will be introduced into the time-resolved measurement technique to detect carrier diffusion and drift processes. Under different conditions, such as the power of the pump laser and the intensity of the bias electric field, the transportation of carriers with different types and densities in semiconductors will be analyzed. The digital image process algorithm will be used to optimize experimental results and the continuity equation will be utilized to reveal spatial-temporal properties of the semiconductor phase-change under the light excitation. The achievement of this project will provide a useful research platform for studies on semiconductors and supply a more detailed experimental basis for acquainting the carrier transportation. This project will give a more overall experimental and theoretical guidance for the development of semiconductor devices.

载流子的输运特性是半导体器件研发的基础，传统太赫兹时间分辨光谱技术在研究半导体的光致载流子演变过程中，只能测量载流子的时域特性，而忽略了其空间分布特性。本项目将太赫兹焦平面成像技术引入时间分辨测量中，探测半导体载流子的扩散与漂移运动，分析在不同功率的泵浦光和不同强度的外加偏置电场作用下，各种掺杂浓度半导体的载流子输运状态，并通过数字图像处理算法优化实验结果，利用连续性方程在理论上进行模拟，揭示半导体在光激励下相变的时空特性。本项目的顺利实施，将为半导体特性的测量提供一个有效的研究平台，为人们理解半导体载流子的输运过程提供一个更为完备的实验基础，为半导体器件的发展提供一个更为全面的实验和理论指导。

太赫兹光谱成像技术作为一门新颖的远红外测量手段，随着其实用性的不断提高，其在基础研究和工业应用方面的潜力逐渐为人们所认识。其中，对半导体光致相变响应的瞬态观测是太赫兹技术的重要应用领域之一。之前的研究多采用太赫兹光谱技术对半导体材料或器件的光控瞬态过程进行测量，而忽略了光致载流子的空间分布。本项目旨在改进太赫兹数字全息成像系统，观测半导体材料或器件在外来光场的作用下的空间瞬态变化，为半导体器件的发展提供一个有效的测试平台。在本项目的执行过程中，主持人所在团队搭建了国内唯一一套光学泵浦太赫兹数字全息成像系统，可以有效地实现对半导体光控相变的瞬态成像测量。以此成像系统为平台，本团队完成了基于高阻硅基底的光控太赫兹波带片成像、光控太赫兹计算全息成像、光控太赫兹矢量光束的生成与表征等一系列半导体光控相变的实验，实现了以半导体材料为媒介，通过光控技术对太赫兹波前信息进行动态调控。同时，由于本系统具有高分辨率、高信噪比和电场全矢量信息获取的特点，还可以进行诸多太赫兹成像表征方面的实验。通过对系统进行改造，本团队完成了对平板太赫兹超表面器件的性能检测、对衍射太赫兹光波的矢量场表征、对金属等离子体器件表面电场分布的成像测量等一系列太赫兹成像应用方面的工作，研发了多种性能优良的超薄太赫兹器件，并且实现了对金属表面电磁波和纵向电磁场的有效观测。在项目的支持下，本团队还对研究内容进行了扩展，涉及到了包括太赫兹光学常数提取算法和可见光波段超材料器件研制方面的工作。本项目所获得的研究成果对于半导体器件的研发、平板光学器件和平板光学系统的开发、光学芯片技术的发展和电磁波矢量衍射特性的理解都具有积极的推动作用，同时也拓展了太赫兹成像技术的应用范围。