К.ф.-м.н. Саркисов С.Ю.¹, к.ф.-м.н. Прудаев И.А.¹,

к.ф.-м.н. Кособуцкий А.В.², д.ф.-м.н. Толбанов О.П.¹

¹Национальный исследовательский Томский государственный университет, Россия

²Кемеровский государственный университет, Россия

Исследование спектров терагерцового излучения гетероструктур InGaN/GaN при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами

Применение методов лазерной импульсной терагерцовой спектроскопии во временном представлении (THz-TDS) и эмиссионной терагерцовой спектроскопии позволяет наблюдать сверхбыстрые процессы в полупроводниковых структурах, связанные с динамикой носителей заряда, решеточных и поляризационных колебаний. В объемных полупроводниках механизмы генерации терагерцовых импульсов от поверхности установлены, имеются модели, описывающие эти процессы (например, работа [1] и ссылки в ней). В квантово-размерных структурах механизм генерации терагерцового излучения может быть более сложным, чем в объемных полупроводниках. Например, в сверхрешетках причиной возникновения терагерцовых импульсов могут быть блоховские осцилляции при движении электронов в периодическом поле.

В недавних работах было установлено, что облучение гетероструктур InGaN/GaN оптическими импульсами фемтосекундной длительности сопровождается генерацией электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот [2-4]. Предполагается, что основной причиной возникновения этой генерации является динамическое экранирование встроенных пьезополей. В светодиодных структурах с квантовыми ямами при резкой генерации электрон-дырочных пар они разделяются встроенным электрическим пьезополем. При этом поле возникающего диполя экранирует внутреннее пьезополе, возникает обратный пьезоэффект – смещение атомов структуры. В результате последующей релаксации решетки происходит интенсивная генерация оптических фононов, а также терагерцового излучения.

Амплитуда терагерцового импульса в значительной степени определяется напряженностью пьезоэлектрического поля [3, 4], поэтому соответствующие эмиссионные спектры несут важную информацию об электронных и оптических свойствах гетероструктур. В представленной работе выполнены измерения спектров генерации терагерцового излучения для ряда образцов светодиодных гетероструктур InGaN/GaN при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами на центральной длине волны 791 нм (т.е. двухфотонной генерации электрон-дырочных пар в квантовых ямах). Измерения проводились для образцов 4-х типов, отличающихся количеством квантовых ям InGaN. Образцы №№1-3 содержат соответственно 1, 5 и 10 квантовых ям InGaN и были специально выращены методами газофазной эпитаксии. Образец №4 (параметры известны приблизительно) является коммерчески доступной светодиодной гетероструктурой одного из ведущих мировых производителей. Полученные результаты приведены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Спектры терагерцовых импульсов, полученных от гетероструктур InGaN/GaN при пиковых плотностях мощности возбуждающего лазерного излучения, обеспечивающих максимальный уровень сигнала.

Рис. 2. Зависимость главного максимума временной формы терагерцовых импульсов, полученных от образца №2, от пиковой плотности мощности возбуждающего лазерного излучения

Как видно из представленных результатов, максимум амплитуды терагерцовых импульсов для образца № 3 наблюдался при пиковой плотности мощности 137,8 ГВт/см², для образца № 2 – 127,3 ГВт/см² , для образца № 1 – 60 ГВт/см². Таким образом, с ростом количества квантовых ям в образцах увеличивались как интенсивность генерации, так и плотность мощности накачки, до которой наблюдался рост этой интенсивности. Наиболее эффективная генерация наблюдалась в образце №4, для него максимум интенсивности генерации был отмечен при пиковой плотности мощности лазерного импульса 100 ГВт/см².

В отличие от ранее выполненных работ [2-4], наши измерения показывают не насыщение, а уменьшение сигнала с ростом плотности мощности возбуждающего импульса. В [2-4] насыщение объясняется полной экранировкой пьезополей при определенных уровнях плотности мощности накачки и исчезновением поля, разделяющего носители. Уменьшение амплитуды терагерцового сигнала с ростом плотности мощности накачки можно связать, например, с ростом концентрации свободных носителей заряда в квантовых ямах и поглощением на них генерируемого излучения. Также в некоторых случаях возможно влияние оптического пробоя структур, который визуально наблюдался при плотности мощности около 150 ГВт/см² для всех образцов, кроме образца №1. Для последнего пробой наблюдался уже при 75 ГВт/см².

Для интерпретации полученных данных в ближайшее время будут проведены дополнительные исследования: сравнение генерации в схемах с одно- и двухфотонным возбуждением, измерения спектров люминесценции с временным разрешением, исследование дополнительных типов гетероструктур, например, не содержащих эмиттерного слоя (с квантовыми ямами, расположенными на поверхности образца).

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-02-98019.

Список литературы

[1] Саркисов C.Ю., Кособуцкий А.В., Брудный В.Н., Каргин Н.Я. Генерация терагерцового излучения от поверхностей узко- и широкозонных полупроводников, модифицированных путем радиационного облучения //

Известия вузов. Физика. – 2013. – Т. 56, № 8/3. – С. 201-204.

[2] Porte H.P., Turchinovich D., Cooke D.G., Jepsen P.U. Terahertz study of ultrafast carrier dynamics in InGaN/GaN multiplequantum wells // J. Physics: Conf. Series. – 2009. – V. 193. – 012084.

[3] Turchinovich D. , Monozon B.S., Jepsen P.U. Role of dynamical screening in excitation kinetics of biasedquantum wells: Nonlinear absorption and ultrabroadband terahertz emission // J. Appl. Phys. – 2006. – V. 99. – 013510.

[4] van Capel P.J.S., Turchinovich D., Porte H.P., Lahmann S., Rossow U., Hangleiter A., Dijkhuis J.I. Correlated terahertz acoustic and electromagnetic emission indynamically screened InGaN/GaN quantum wells // Phys. Rev. B. – 2011. – V. 84. – 085317.