利用THz光谱技术研究GaAs光电特性和载流子超快动力学

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砷化镓(GaAs)材料是制作光电导太赫兹(THz)器件的最佳材料之一,研究砷化镓材料在太赫兹波段的光电特性和载流子超快动力学,对于优化GaAs材料的性能以及研制高性能光电导太赫兹器件等有着非常重要的意义。近年来,有关利用太赫兹技术研究GaAs材料的报道,其研究频率主要集中在低频太赫兹波段(小于3THz)。本文利用太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy,即THz-TDS)技术和光泵浦太赫兹探测(optical-pump terahertz-probe,即OPTP)技术,首次在1-6THz频段,研究了两种典型GaAs样品的光电特性、载流子超快动力学以及GaAs材料的光致吸收漂白现象。主要工作如下:(1)研究了 GaAs材料在宽谱太赫兹波段的光电特性利用太赫兹时域光谱技术,研究了两种典型GaAs材料在宽谱太赫兹波段的光谱特征和光电特性,得到在1-6THz频谱范围内,半绝缘砷化镓(SI-GaAs)和低温砷化镓(LT-GaAs)样品的复透射系数、折射率、消光系数、吸收系数、介电常数、介电损耗、电导率等光电参量,并对两种GaAs样品的光电特性进行了比较研究。发现在1-6THz频谱范围内,SI-GaAs和LT-GaAs样品对太赫兹波均有很高的透光率和很低的介电损耗;折射率随着太赫兹频率的增大缓慢增大,平均值分别为3.71和3.58;电导率随着太赫兹频率的增大呈现上升趋势,LT-GaAs样品的电导率增幅相对较大,幅度在1 0-1S/cm数量级。从红外光谱角度对太赫兹光谱理论解析;利用Lorentz色散模型对SI-GaAs和LT-GaAs样品的光电参量进行了理论模拟,实验结果与理论模拟值能够较好的吻合。(2)研究了 GaAs材料在宽谱太赫兹波段的载流子超快动力学利用光泵浦太赫兹探测技术,研究了两种典型GaAs材料在宽谱太赫兹波段载流子的超快动力学特性,得到在1-6THz频谱范围内,不同泵浦光强度下SI-GaAs和LT-GaAs样品的电导率和载流子寿命;研究了载流子在弛豫过程中的浓度和电导率随时间变化规律,以及弛豫时间与泵浦光强度关系。利用Drude-Smith模型理论拟合实验结果,得到不同光泵浦强度下SI-GaAs样品的载流子浓度、迁移率以及平均散射时间等动力学参量。比较研究发现,在光泵浦情况下,相对于SI-GaAs材料,LT-GaAs材料具有更高的电阻率和更快的响应速度。(3)研究了 SI-GaAs材料在强太赫兹电场下的光致吸收漂白现象利用光泵浦太赫兹探测技术,研究了光泵浦条件下SI-GaAs材料对强电场太赫兹波的吸收漂白现象,发现在一定泵浦光强度下,SI-GaAs样品对强太赫兹电场呈现出吸收漂白现象;实验研究了 SI-GaAs样品对太赫兹波的吸收漂白率,得到吸收漂白现象的产生条件以及吸收漂白率随泵浦光强度的变化规律。研究了吸收漂白现象的产生机理,得到吸收漂白现象是在一定泵浦光条件下强太赫兹电场诱导半导体光激层载流子在导带Γ能谷和L能谷之间发生了谷间散射所致,与泵浦光和太赫兹电场的强度有关。利用载流子超快动力学理论研究了SI-GaAs材料对强电场太赫兹波的吸收漂白现象。
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