ФОТОПРОВОДЯЩАЯ ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к оптико-терагерцовым преобразователям, основанным на преобразовании энергии оптических пучков фемтосекундных импульсных лазеров в энергию рабочего широкополосного терагерцового излучения (МПК H01L 31/00; H01L 31/0693), и может быть использована в схемах терагерцовой спектроскопии для генерации импульсного и непрерывного терагерцового излучения. Технологии зондирования и визуализации терагерцовыми волнами нашли широкое применение как средство исследований, более безопасное, чем рентген.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны преобразователи частоты фемтосекундных лазерных импульсов в терагерцовый диапазон частот (0,1-10 ТГц), представляющие собой полупроводниковые фотопроводящие дипольные антенны (ФДА), которые широко используются в схемах терагерцовой спектроскопии во временном представлении [1-3].
ФДА для генерации терагерцового излучения обычно представляет собой антенну и генератор сигнала, совмещенные на одной полупроводниковой подложке. Конструктивно ФДА состоит из фотоактивной подложки с нанесенной на нее металлической антенной структурой, например, в виде проводящих полосок. Фемтосекундный оптический импульс распространяется в фотопроводник, генерирует переходный фототок, который приводит в действие ФДА, излучающую широкополосный терагерцовый импульс.
Аналогом заявленной полезной модели может служить терагерцовое оптическое эмиссионное устройство, известное из европейского патента ЕР 0606776 [4]. Устройство содержит: подложку; первый и второй разнесенные электроды; расположенный между ними полупроводниковый материал на основе GaAs; средство для подачи электрического напряжения на электроды; а также средство для подачи на полупроводниковый материал импульса лазерного излучения такой мощности, чтобы импульс радиации инициировал между контактами импульс электрического тока, в результате чего в полупроводниковом материале устройства генерируется терагерцовое излучение.
В этом устройстве электроды ФДА представляют собой полосковые линии, однако они могут выполняться в виде логарифмической или периодической спирали с выступами определенной формы. При возбуждении фотоактивной среды лазерным импульсом с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника в контактном зазоре происходит резкое увеличение концентрации неравновесных носителей заряда. Генерированные носители заряда ускоряются приложенным к контактам внешним напряжением смещения и создают в антенне импульс фототока. При определенных длительностях лазерного импульса, фотоэлектрических параметрах полупроводника и геометрии антенной структуры, обеспечивающих характерные времена изменения фототока на уровне пикосекунд, данный всплеск фототока приводит к излучению антенной широкополосного терагерцового импульса.
Проблемой является создание эффективных материалов оптико-терагерцового преобразования лазерного импульса. При возбуждении фототока важнейшими параметрами фотоактивной среды являются удельное сопротивление полупроводника, время жизни и подвижность образующихся неравновесных носителей заряда. Наилучшим сочетанием характеристик фотопоглощающего слоя является минимальное время жизни и максимальная подвижность носителей заряда, а для обеспечения больших напряжений смещения и уменьшения шумов материал фотоактивной среды должен обладать высоким темновым сопротивлением. Низкое время жизни неравновесных носителей заряда необходимо для обеспечения резкого спада фототока после возбуждения, а высокая подвижность носителей заряда способствует большим величинам фототока. Поскольку низкое время жизни обычно связано с наличием рекомбинационных дефектов в кристаллической структуре, которые снижают подвижность носителей заряда, эти характеристики, как правило, труднодостижимы в одном материале. Для получения эффективного устройства необходим баланс всех характеристик фотопоглощающего слоя.
Предпочтительным материалом для создания ФДА является арсенид галлия, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксией на низкотемпературных подложках (LT-GaAs), обладающий низким значением времени жизни неравновесных носителей заряда (0,1-5 пс) [3]. Невозможность совместить в одном слое объемного материала высокую подвижность и малое время жизни привело к созданию различных технологий модификации полупроводниковых материалов: легирование из расплава, диффузионное легирование, ионная имплантация и облучение, температурная обработка, и к появлению более перспективных функциональных материалов на основе многослойных и сверхрешеточных структур, обеспечивающих уменьшение времени жизни носителей заряда и темнового тока при сохранении достаточно высокой подвижности (технические решения по патентам US 7498593 В2 (2009); US 20140252379 А1 (2014); US 9147789 В2 (2015); RU 2657306 С2 (2018) и др.).
17
-3
5
6
2
Действительно, пленки низкотемпературного эпитаксиального арсенида галлия обладают меньшими временами жизни носителей заряда, чем выращенный из расплава объемный GaAs, но ФДА на основе низкотемпературных пленок LT-GaAs имеют ряд недостатков: нелегированный LT-GaAs обладает большой собственной концентрацией электронов (~10 см) и, следовательно, низким темновым удельным сопротивлением (10-10) Ом⋅см). Сравнительно невысокая подвижность носителей заряда (<1000 см/В⋅с) ограничивает величину фототока; невысокая фоточувствительность уменьшает КПД преобразования оптического излучения. Существенно, что технология производства LT-GaAs достаточно дорога.
При создании ФДА альтернативой LT-GaAs может быть полуизолирующий материал (high resistive) арсенид галлия HR-GaAs:Cr, легированный глубокой акцепторной примесью хрома. Снижение времени жизни носителей заряда, инициированных лазерным излучением, происходит за счет их захвата на центры рекомбинации, связанные с примесью Cr. Последние исследования показали, что наиболее значимым параметром является время жизни приповерхностных носителей заряда, для уменьшения которого можно использовать механическую или химическую обработку рабочей поверхности кристалла [5, 6].
7
9
2
При высоком удельном сопротивлении (10÷10 Ом⋅см) кристаллический полуизолирующий материал HR-GaAs:Cr имеет высокую подвижность носителей заряда (~4000 см/В⋅с) и может быть использован для изготовления ФДА. На основе таких модифицированных полупроводников в работе [6] раскрыта конструкция спиральной фотопроводящей дипольной антенны (ПСФДА), генерирующей широкополосное импульсное излучение в диапазоне 0,1-2.8 ТГц. Выбрано за прототип.
Недостатком прототипа является сравнительно большое время жизни носителей заряда, составляющее до 20 нс, что не обеспечивает резкий спад фототока после возбуждения. Фоточувствительная среда ФДА-прототипа не позволяет получить более высокие пиковые значения фототока через дипольную антенну с соответствующим повышением КПД преобразования оптического излучения.
Технической задачей является увеличение мощности излучаемых ФДА ТГц импульсов и КПД преобразования фемтосекундных лазерных импульсов в широкополосное терагерцовое излучение.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается тем, что в дипольной антенне, содержащей периодическую спираль на основе HR-GaAs:Cr, возбуждаемую фемтосекундным лазерным излучением с Х-780 нм, и металлические контакты для подачи напряжения смещения, упомянутая полупроводниковая основа периодической спирали выполнена из легированного хромом арсенида галлия, облученного потоком электронов с энергией 1 МэВ при дозе облучения не менее 100 кГр.
2
Материалом, на базе которого изготавливалась ФДА, как и в прототипе, служил GaAs, легированный хромом путем диффузии. Материал HR-GaAs:Cr обладал следующими параметрами: удельное сопротивление не менее 500 МОм⋅см, подвижность электронов ~ 4000 см/(В⋅с), время жизни неравновесных носителей заряда в материале по данным электрофизических измерений составляло ~ 20 нс. Как показано ранее [6, рис. 4], при таких параметрах фотопроводящая антенна эффективно генерирует излучение в области низких терагерцовых частот. Затем при помощи стандартного линейного ускорителя электронов прямого действия производилось облучение фотопроводящего материала при комнатной температуре. ФДА-мишень располагалась на расстоянии 10 см от вывода ускорителя, дозирование осуществлялось заданием времени облучения от 5 до 12 минут.
За счет облучения электронами в приповерхностной области и в объеме полупроводниковой основы возникают дополнительные радиационные дефекты кристаллической структуры, которые, как и дефекты, возникающие при глубоком легировании хромом или механической шлифовке подложки, значительно уменьшают время жизни носителей заряда (до 0.2-1 нс) без существенного влияния на их высокую подвижность.
Облучение электронами несколько снижает темновое удельное сопротивление, однако при этом улучшает спектр генерации терагерцового излучения и повышает пиковые значения фототока, что принципиально для решения поставленной задачи. Кроме того, вследствие экранировки внешнего смещения диполем фотовозбужденных электронов и дырок возникает изменяющееся во времени напряжение смещения, которое индуцирует дополнительный высокочастотный ток между контактами.
7
9
Получаемые дополнительные радиационных дефекты действуют как центры рекомбинации и приводят к перезарядке уровней ловушек, снижая время жизни носителей заряда. Высокое удельное сопротивление (10÷10 Ом⋅см) и хорошая фоточувствительность повышает КПД преобразования оптического излучения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Пример. Для подтверждения возможности получения технического результата была разработана и испытана фотопроводящая дипольная антенна, выполненная в соответствии с заявленной формулой полезной модели в виде спирали (ПСФДА) на основе HR-GaAs:Cr и возбуждаемая фемтосекундным лазером с центральной длиной волны λ=780 нм.
Проведено исследование спектров генерации импульсного терагерцового излучения ФДА-прототипа и антенны с фоточувствительным слоем, облученным высокоэнергетическими электронами. Спиральная дипольная антенна имеет несколько резонансных частот по числу зубцов спирали.
Резонансные частоты (по числу зубцов) рассчитаны по известной формуле:
i
i
где с - скорость света, n - показатель преломления полупроводниковой подложки, R и r - внешний и внутренний радиусы i-ого зубца спирали.
Расчетные резонансные частоты каждого зубца показаны в таблице. Приведенные геометрические размеры витков дают наилучший резонанс на всей ширине спектра генерации широкополосного терагерцового излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
i
i
Полезная модель поясняется с помощью фигур 1-2. На фиг. 1 показана топология тестовой ФДА. Металлическая дипольная структура на поверхности выполнена в виде периодической спирали (ПСФДА), которая выбрана как наиболее эффективная топология при генерации на частоте 1 ТГц для использованного HR материала. Углы поворота зубцов в секторах 1, 2 равны α=β=45 градусов; r, R, - внутренний и внешний радиусы i-ого зубца. Как видно из таблицы, внешний радиус i-ого зубца равен внутреннему радиусу (i-1)-ого зубца.
На фиг. 2 представлены спектры терагерцовых импульсов, генерируемых тестовой ПСФДА до облучения электронами с энергией 1 МэВ (кривая а) и после облучения (кривая После облучения активной среды тестовых образцов ФДА электронами с энергией 1 МэВ дозой не менее 100 кГр получено увеличение мощности генерируемого терагерцового излучения на частоте 0,9 ТГц до 260% при тех же параметрах возбуждения. Напряжение смещения на контактах U=27 В.
Техническим результатом ФДА на основе облученного кристалла HR-GaAs:Cr является повышение эффективности и КПД преобразования оптического лазерного излучения в широкополосный терагерцовый сигнал. Технический результат достигается за счет того, что образующиеся при облучении высокоэнергетическими электронами дополнительные радиационные дефекты действуют как центры рекомбинации и приводят к перезарядке уровней ловушек, эффективно снижая время жизни носителей заряда и увеличивая фоточувствительность материала HR-GaAs:Cr к излучению фемтосекундного лазера, без существенного усложнения технологии получения активного слоя.
Более крутой, чем у прототипа, фронт фототока при приходе фемтосекундного лазерного импульса обеспечивает генерацию антенной терагерцового излучения в области 0,5-3,0 ТГц. При дозе облучения не менее 100 кГр фотопроводящая дипольная антенна заявленной конструкции превосходит прототип по мощности за счет лучшего баланса ключевых характеристик приповерхностного слоя полупроводника и уменьшения эффекта экранирования ускоряющего напряжения генерируемыми носителями при тех же параметрах возбуждения.
Облучение электронами несколько снижает удельное сопротивление исходного HR-GaAs:Cr, однако при этом значительно уменьшается время жизни носителей заряда и растет фоточувствительность в области взаимодействия с фемтосекундным лазером λ~780 нм, что принципиально важно для решения поставленной задачи.
Приведенные размеры и характеристики ПСФДА являются частным случаем реализации заявленной полезной модели и не ограничивают возможные другие воплощения ФДА терагерцового диапазона, допускаемые формулой. На выходе вырабатываемого терагерцового излучения может быть установлена фокусирующая оптика, например, кремниевая линза для ТГц излучения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Huo Y., Taylor G.W., Bansal R. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. - 2002. - Vol. 23. - P 819-839.
2. J. Zhang, Y. Hong, S.L. Braunstein and K.A. Shore. Terahertz pulse generation and detection with LT-GaAs photoconductive antenna // IEE Proc. - Optoelectron. 2004, - Vol. 151, - No. 2, DOI: 10.1049/ip-opt:20040113.
3. Nathan M. Burford, Magda O. El-Shenawee. Review of terahertz photoconductive antenna technology // Optical Engineering, 2017, vol. 56, nol. https://doi.Org/10.1117/1.OE.56.1.010901.
4. EP0606776 (A2), H01L 31/09. Terahertz radiation emission and detection device, 1994.
5. Kolesnikova I.I., Kobtsev D.A., Redkin R.A., Voevodin V.A., Tyazhev A.V., Tolbanov O.P., Sarkisov S.Yu., Sarkisov Yu.S., Atuchin V.V. Optical Pump-Terahertz Probe Study of HR GaAs:Cr and SI GaAs:EL2 Structures with Long Charge Carrier Lifetimes // Photonics, 2021, no.8. https://doi.org/10.3390/photonics8120575.
6. Кобцев Д.А., Тяжев A.B., Колесникова И.И., Редькин Р.А. Определение влияния времени жизни носителей заряда арсенида галлия на эффективность непрерывной и импульсной генерации и детектирования излучения терагерцового диапазона // Физика. 2020. Т. 63, №11. С. 148-153. DOI: 10.17223/00213411/63/11/148.