楊 康 陳西良 馬明旺 楊樹敏 曹建清 王永祺 朱智勇

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院研究生院 北京 100049）

太赫茲(THz)脈沖的瞬時性、寬帶性、相干性和低能性特征，使太赫茲光譜技術(shù)在探測晶體、聚合物和有機液體的光電性質(zhì)方面具有獨特優(yōu)勢。目前用于太赫茲光譜技術(shù)的多種太赫茲發(fā)射源中，最常見的是太赫茲光電導天線(PCA)，是一種利用短脈沖激光激勵光電導晶體材料發(fā)射出太赫茲脈沖的裝置(圖1)。其工作原理是：在光電導晶體材料表面淀積兩條相互平行的共面金屬線制成偶極天線電極，用光子能量大于半導體禁帶寬度的超短脈沖激光激勵光電導間隙，使半導體材料內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。被激發(fā)的自由載流子在偏壓作用下形成瞬態(tài)光電流，瞬態(tài)光電流的產(chǎn)生和衰減可產(chǎn)生皮秒脈寬的太赫茲電磁輻射脈沖，并通過天線向空間傳播。最初，藍寶石上輻射損傷的硅(RD-SOS)曾廣泛用作光電導天線的基體。

圖1 光電導天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of photoconductive antenna.

十多年前，用低溫分子束外延法在半導體基體上生長的砷化鎵(LT-GaAs)薄膜晶體逐漸取代RD-SOS，其電阻率高(＞107?·cm)、載流子遷移率大(100–300 cm2·V–1·s–1)、載流子壽命短(<1 ps)，成為應用最為廣泛的光電導天線基體[1–4]。但其光電導性能取決于GaAs晶體薄膜的生長環(huán)境氣氛、生長溫度和退火條件等因素，產(chǎn)品性能的重復性不甚理想，不利于產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。

近幾年來，離子注入制備太赫茲發(fā)射晶體受到了十分重視，各實驗室用As、O、C、N、H等離子對Si、GaAs和InP等寬禁帶半導體進行離子注入改性[5–13]，已可制備出與LT-GaAs性能不相上下的太赫茲發(fā)射性能的光電導基體材料，且光電導性質(zhì)精確可控。本文用1.5 MeV He+離子注入SI-GaAs晶體，探討此法制備太赫茲發(fā)射晶體的可行性。

1 實驗方法

實驗在中國科學院上海應用物理研究所4UH靜電加速器上進行，1.5 MeV He+離子束的束斑直徑1 mm，束流強度13 nA。選擇的注量分別為1′1015和1′1016cm–2。所用晶體是(100)晶面N型砷化鎵單晶，厚400 μm，電阻率≥107?·cm，遷移率≥3000 cm2·V–1·s–1。實驗中采取遮蓋措施，使入射束僅照射該天線激發(fā)激光脈沖的光電導間隙位置。由 TRIM軟件[14]模擬，1.5 MeV He+在GaAs中的射程為～4.42 μm。模擬所得的空位分布表明(圖2)，在表面下1mm的區(qū)域內(nèi)，空位分布較均勻，1′1015和1′1016cm–2注量下的空位密度分別為～1020和～1021cm–3。

圖2 1.5 MeV He+輻照產(chǎn)生的空位隨樣品深度的分布(TRIM程序計算結(jié)果[14])Fig.2 Depth distribution of vacancies induced in GaAs by 1.5 MeV He+ ions, calculated with the TRIM code.[14]

我們制作的偶極天線由兩條相互平行的金線組成，線寬0.4 mm，間距0.4 mm，長5 mm。偶極天線及電極引線由SC 7640型濺射鍍膜機鍍制，并經(jīng)150℃、15 min的退火處理。

用太赫茲時域光譜裝置(THz-TDS)對光電導天線的太赫茲發(fā)射性能進行了測量。用一個重復頻率80 MHz的鎖模鈦藍寶石激光器作為太赫茲脈沖激光的激勵源，激光功率4.5 W，中心波長800 nm，光脈沖寬度～80 fs。計算顯示，800 nm 的激光在GaAs晶體中其1/e穿透深度為～570 nm。可見產(chǎn)生太赫茲發(fā)射的有效區(qū)在表面下1mm的區(qū)域以內(nèi)。激光束聚焦于偶極天線的中心位置，在晶體中激發(fā)產(chǎn)生光生載流子。由一對偏軸拋物面鏡將THz脈沖收集和聚焦到探測器上，采用延遲光脈沖和 ZnTe電光采樣探測器對THz脈沖信號進行探測。延遲裝置系改變探測光與泵浦光間的光程差，使探測光在不同時刻對THz脈沖的電場強度進行取樣，同時采用鎖相測量技術(shù)，獲得 THz脈沖電場強度的時間波形。電光采樣技術(shù)是基于線性電光效應的探測方法，它使低頻電場(THz脈沖)和激光束(光學脈沖)在探測晶體中的耦合，穿過電光晶體探測激光的偏振橢球在電光晶體內(nèi)被THz電磁場調(diào)制，采用偏振法分析探測光，可以精確地得到自由空間傳播THz電磁場的振幅和相位信息[15–17]。對THz時間波形進行傅立葉變換，得到THz脈沖的頻譜。

2 結(jié)果和討論

在大氣氣氛下利用 THz-TDS裝置對天線的發(fā)射性能進行了測試，測試環(huán)境溫度為21.6℃，大氣濕度為24%，SI-GaAs和GaAs:He+光電導天線的偏壓均為56 V，激光器的泵浦功率0.71 W。圖3為基于未注入SI-GaAs的光電導天線(以下簡稱SI-GaAs光電導天線)和基于He+離子注入SI-GaAs的光電導天線(以下簡稱GaAs:He+光電導天線)的太赫茲時域譜(圖 3a)，以及相應的傅立葉轉(zhuǎn)換頻譜(圖 3b)。為便于比較，圖 3(a)中將各光電導天線太赫茲時域譜的時間延遲作了適當調(diào)整。由圖可見，每個光電導天線的太赫茲脈沖波形相近，即在一個尖銳的主峰后緊隨著一個相對寬些的負峰和一些額外的振蕩。這種典型的波形來源于光電導晶體中瞬態(tài)電流的時間微分。主峰來源于光電導天線內(nèi)光生載流子的大量產(chǎn)生，以及在外加偏置電壓的作用下急劇加速形成的浪涌電流；負峰來源于瞬態(tài)光電流的快速衰減，它的形狀依賴于載流子的捕獲時間，即晶體中載流子的壽命[18]。這種典型波形的形成，還與太赫茲脈沖穿過400 μm的基體時與晶體的相互作用以及太赫茲脈沖的空間分布等因素有關(guān)[19,20]。

圖3 GaAs:He+光電導天線和SI-GaAs光電導天線的太赫茲時域光譜(a)和傅立葉轉(zhuǎn)換頻域譜(b)Fig.3 THz time-domain spectra (a) and Fourier transformed amplitude spectra (b) of the GaAs:He+ PCA and SI-GaAs PCA.

由圖3(a)可見，與未注入樣品相比，GaAs:He+光電導天線的太赫茲脈沖信號強度顯著增強。輻照樣品的正信號電流在270 nA左右，約為未注入樣品信號電流(93 nA)的3倍。兩種注量的GaAs:He+光電導天線的太赫茲譜形非常相近，而1′1016cm–2注量點的 GaAs:He+光電導天線的輻射強度稍強于1′1015cm–2注量點。由于 1′1016cm–2注量可在晶體表面約 1 μm 深度內(nèi)產(chǎn)生高達～1021cm–3的空位密度，該空位數(shù)量已接近使晶體發(fā)生非晶化的程度，也即注量更高可能導致輻照層完全非晶化而使晶體喪失太赫茲發(fā)射能力。由此我們認為 1′1016cm–2的注量可能接近在本實驗條件下產(chǎn)生太赫茲輻射的最佳劑量值。由圖3(b)可見，注入樣品與未注入樣品的傅立葉頻譜寬度相近。在0.2–1.5 THz的頻率中，SI-GaAs光電導天線和GaAs:He+光電導天線的信噪比均接近4個數(shù)量級。圖中0.57、0.74和1.12 THz吸收峰均來源于空氣中水汽對太赫茲波的吸收[21]。太赫茲頻譜中高頻端功率的下降會受到水蒸氣的吸收、激光脈沖的脈寬等因素的影響，同時也與太赫茲脈沖穿過太赫茲發(fā)射晶體和探測晶體時發(fā)生的各種吸收和散射等有關(guān)[5]。圖4為大氣氣氛下和在干燥氮氣氣氛下測得的頻譜數(shù)據(jù)比較。在氮氣氣氛下測量時，系統(tǒng)的信噪比顯著改善，有效的太赫茲頻譜寬度略有展寬。

圖5為LT-GaAs和GaAs:He+(1015cm–2)光電導天線在氮氣氣氛下的太赫茲時域譜及相應的傅立葉轉(zhuǎn)換頻譜。兩種光電導天線的測量條件為：環(huán)境溫度21.6℃、大氣濕度24%、偏壓56 V、激光器的泵浦功率0.71 W。采用的LT-GaAs光電導天線(美國Zomega太赫茲公司)間隙為400 μm，其發(fā)射晶體系在400 μm厚的GaAs基體上用分子束低溫外延法制得，LT-GaAs薄膜的厚度在 1–2 μm。由圖 5(a)，GaAs:He+光電導天線的正信號電流為～277 nA，略優(yōu)于LT-GaAs光電導天線(207 nA)，且正負峰位時間間隔為～0.42 ps，小于LT-GaAs光電導天線(0.46 ps)，說明由輻照制備的 GaAs:He+光電導天線具有略寬的頻譜寬度。文獻[22,23]認為，高能量離子轟擊GaAs晶體表面下～1 μm深度內(nèi)產(chǎn)生的缺陷可作為電子的有效捕獲陷阱和復合中心存在，能有效降低光生載流子的壽命，從而引起光電導天線的頻譜出現(xiàn)展寬。Salem B等[24,25]認為，缺陷的產(chǎn)生會引起偶極天線兩電極之間電場的重新分布，致使激光激發(fā)位置的電場局部增強，此變化也有利于光電導天線頻譜的展寬。由圖5(b)，與LT-GaAs光電導天線相比，GaAs:He+光電導天線的高頻段下降較慢，并同時擁有可與之相媲美的信噪比。這表明利用He+轟擊在 GaAs晶體中獲得的缺陷結(jié)構(gòu)，可以與LT-GaAs晶體內(nèi)部因為砷過量所產(chǎn)生的各種缺陷(替位缺陷和砷富集區(qū)等)起到類似的作用，有效地降低了GaAs晶體中光生載流子的壽命。

圖4 大氣和干燥氮氣氣氛下測得的GaAs:He+ (1015 cm–2)光電導天線的傅立葉轉(zhuǎn)換頻譜Fig.4 Fourier transformed amplitude spectra of the GaAs:He+(1015 cm–2) PCA in the atmosphere and dry N2.

圖5 GaAs:He+ (1015 cm–2)光電導天線和LT-GaAs光電導天線的太赫茲時域光譜(a)和傅立葉轉(zhuǎn)換頻域譜(b)Fig.5 THz time-domain spectra (a) and Fourier transformed amplitude spectra (b)of the GaAs:He+ (1015 cm–2) PCA and LT-GaAs PCA.― LT-GaAs ·· GaAs:He+

3 結(jié)論

利用離子輻照的方法制備太赫茲發(fā)射晶體是太赫茲器件研究領(lǐng)域近幾年頗受關(guān)注的研究課題，本實驗利用1.5 MeV He+離子輻照SI-GaAs制成的光電導天線，其信號強度達273 nA，與以未輻照晶體為基體的光電導天線相比，增強了近 2倍。與以LT-GaAs晶體為基體的光電導天線相比，由輻照晶體制備的光電導天線的頻譜范圍略寬，且擁有稍強的信號強度和與之相當?shù)男旁氡?。實驗結(jié)果表明，對于1.5 MeV He+室溫輻照SI-GaAs制備太赫茲光電導天線，其最佳注量在1′1016cm–2附近。

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