Δυναμική χωροχρονικών φωτοκαρδιογράφων Ultrafast κοντά σε επιφάνειες GaN που μελετήθηκαν με φασματοσκοπία εκπομπών terahertz

Αφηρημένη Το νιτρίδιο Gallium (GaN) είναι ένας πολλά υποσχόμενος ημιαγωγός ευρείας ζώνης και χρειάζονται νέα εργαλεία χαρακτηρισμού για τη μελέτη της τοπικής κρυσταλλικότητάς του, της δυναμικής του φορέα και των επιδράσεων ντόπινγκ. Η φασματοσκοπία εκπομπών Terahertz (THz) είναι μια αναδυόμενη πειραματική τεχνική που μπορεί να ανιχνεύσει την εξαιρετικά γρήγορη δυναμική του φορέα σε οπτικά διεγερμένους ημιαγωγούς. Σε αυτήν την εργασία, η δυναμική του φορέα και οι μηχανισμοί εκπομπών THz του GaN εξετάστηκαν σε ακούσια ντοπαρισμένα n-type, Si-doped n-type και Mg-doped p-type GaN. Οι φωτοφόροι φορείς διεγείρονται κοντά στην επιφάνεια ταξιδεύουν από την περιοχή διέγερσης με εξαιρετικά γρήγορο τρόπο και παράγουν ακτινοβολία THz σύμφωνα με το χρονικό παράγωγο του ρεύματος μετατόπισης κύματος. Η πολικότητα του πλάτους THz μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του πλειοψηφικού τύπου φορέα σε ταινίες GaN μέσω μιας μεθόδου μη επαφής και μη καταστροφής. Το νιτρίδιο Gallium (GaN) είναι ένας από τους πιο σημαντικούς ημιαγωγούς ευρείας ζώνης, που προσελκύει αξιοσημείωτο ενδιαφέρον για συσκευές εκπομπής φωτός, υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας 1 , 2 . Παρά τις μεγάλες προσπάθειες, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά προβλήματα ποιότητας, όπως αναποτελεσματικό ντόπινγκ, ελαττώματα, καταστάσεις επιφάνειας και ελαττώματα παθητικοποίησης, τα οποία εμφανίζονται τόσο στους κρυστάλλους όσο και στις ταινίες 3 , 4 . Για παράδειγμα, υπάρχει φυσικά μια ισχυρή αυθόρμητη πόλωση στην όψη Ga του GaN κατά μήκος της κατεύθυνσης του άξονα c 5 . Λόγω αυτής της πόλωσης και των ελαττωμάτων στο GaN, ένα τυπικό τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας AlGaN / GaN (HEMT) λειτουργεί ως συσκευή κανονικής λειτουργίας (λειτουργία εξάντλησης) ή πρέπει να λειτουργεί με οπίσθια πύλη 6 ,7 . Υπάρχουν ακόμη πολλές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν για την επίτευξη καλύτερων συσκευών και υλικών GaN και νέα εργαλεία χαρακτηρισμού υλικού είναι ζωτικής σημασίας για την προώθηση της έρευνας σε αυτόν τον τομέα. Η φασματοσκοπία εκπομπών Terahertz (THz) και ένα σύστημα απεικόνισης γνωστό ως μικροσκόπιο εκπομπών THz με λέιζερ (LTEM) είναι αναδυόμενα εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της εξαιρετικά γρήγορης κίνησης και μετατόπισης δυναμικών φορέων σε οπτικά διεγερμένα υλικά 8 , 9 . Πρόσφατα, καταδείξαμε την εφαρμογή του LTEM σε διάφορους ημιαγωγούς 10 , 11 , 12. Το LTEM χρησιμοποιεί λέιζερ femtosecond (fs) για να διεγείρει τους φορείς στα υλικά. Οι φορείς επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο και διαχέονται από την περιοχή διέγερσης, η οποία προκαλεί ένα παροδικό ρεύμα, και τα κύματα THz εκπέμπονται σύμφωνα με το χρονικό παράγωγο του φωτορεύματος. Οι χρονικές κυματομορφές THz αντικατοπτρίζουν την εξαιρετικά γρήγορη δυναμική φορέα, οι οποίες βρίσκονται στο χρονοδιάγραμμα μερικών δεκάδων femtoseconds 13 . Σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης, το βάθος διείσδυσης του φωτός είναι ρηχό, και οι περισσότεροι φωτοκατασκευαστές δημιουργούνται κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού όταν η ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από το εύρος ζώνης του ημιαγωγού. Η φωτοφωταύγεια (PL) και η ηλεκτροφωταύγεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό του ανασυνδυασμού φορέα που οδηγεί σε εκπομπές φωτονίων για χρόνους ανασυνδυασμού με τη σειρά των picoseconds έως nanoseconds. Οι Leitenstofer et al. έχει αποδείξει ότι, στο GaAs, το TES παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη στιγμιαία φωτοαπόκριση αμέσως μετά την οπτική διέγερση 14 , 15, ενώ οι συμβατικές μέθοδοι παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική του φορέα μετά την διάδοση του φορέα. Με το TES, μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με μηχανισμούς που εμφανίζονται σε χρονικές κλίμακες μικρότερες από ένα picosecond, όπως ταχύτητα και κατεύθυνση μετατόπισης φορέα. Χρησιμοποιήθηκαν PL, απορρόφηση φωτονίων και μετρήσεις ανάκλασης αντλίας-ανιχνευτή για τη μελέτη της οπτικής απόκρισης του GaN, κυρίως παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με ελαττώματα και σκέδαση φορέα. Στην παρούσα εργασία, το TES χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη των χωροχρονικών οπτικών αποκρίσεων του GaN. Γενικά, η εκπομπή THz από επιφάνειες ημιαγωγών προκαλείται από την επιτάχυνση των φωτοκαταφορέων από ένα ενσωματωμένο πεδίο κοντά στην επιφάνεια, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1 , και / ή διάχυση φωτοκαταφορέα από την επιφάνεια στο μεγαλύτερο μέρος. Στην πρώτη περίπτωση, τα ηλεκτρόνια και οι οπές μετακινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση το ένα από το άλλο, και στην τελευταία περίπτωση, η διάχυση είναι προς την ίδια κατεύθυνση αλλά με διαφορετικές ταχύτητες, ένα φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Photo-Dember 13 , 16 , 17 ,18 , 19 , το μοντέλο του οποίου χρησιμοποιείται συχνά για την εξήγηση του μηχανισμού εκπομπών THz από στενούς ημιαγωγούς. Δεδομένου ότι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων στους ημιαγωγούς είναι μεγαλύτερη από αυτήν των οπών, συνεπώς, το TES αναμένεται να αποκαλύψει τέτοιες δυναμικές ηλεκτρονικές φωτοδιεγερμένες, και η πολικότητα των πλάτους κύματος THz θα υποδεικνύει τον πλειοψηφικό τύπο φορέα στους ημιαγωγούς GaN. Εδώ, εξετάσαμε ακούσια φιλμ ν-τύπου (# n-1), Si-doped n-type (# n-21) και Mg-doped p-type (# p-1) GaN για να λάβουμε μια σαφή κατανόηση Εκπομπή THz από την GaN. Οι κυματομορφές εκπομπών THz από τα δείγματα υπό διάφορες συνθήκες εξετάστηκαν και οι μηχανισμοί εκπομπών THz συζητούνται χρησιμοποιώντας το μοντέλο προσέγγισης βραχυπρόθεσμου από το Ref 20, μαζί με τις μετρήσεις PL και υπεριώδους ορατής απορρόφησης (UV-vis)