樊正富 譚智勇 萬文堅 邢曉 林賢 金鉆明 曹俊誠 馬國宏?

1)(上海大學(xué)物理系,上海200444)2)(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,中國科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點實驗室,上海200050)

低溫生長砷化鎵的超快光抽運-太赫茲探測光譜?

樊正富1)譚智勇2)萬文堅2)邢曉1)林賢1)金鉆明1)曹俊誠2)馬國宏1)?

1)(上海大學(xué)物理系,上海200444)2)(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,中國科學(xué)院太赫茲固態(tài)技術(shù)重點實驗室,上海200050)

(2016年12月7日收到;2017年1月19日收到修改稿)

本文采用光抽運-太赫茲探測技術(shù)系統(tǒng)研究了低溫生長砷化鎵(LT-GaAs)中光生載流子的超快動力學(xué)過程.光激發(fā)LT-GaAs薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運光強增加而增加,最后達到飽和,其飽和功率為54μJ/cm2.當載流子濃度增大時,電子間的庫侖相互作用將部分屏蔽缺陷對電子的俘獲概率,從而導(dǎo)致LT-GaAs的快速載流子俘獲時間隨抽運光強增加而變長.光激發(fā)薄層電導(dǎo)率的色散關(guān)系可以用Cole-Cole Drude模型很好地擬合,結(jié)果表明LT-GaAs內(nèi)部載流子的散射時間隨抽運光強增加和延遲時間(產(chǎn)生光和抽運光)變長而增加,主要來源于電子-電子散射以及電子-雜質(zhì)缺陷散射共同貢獻,其中電子-雜質(zhì)缺陷散射的強度與光激發(fā)薄層載流子濃度密切相關(guān),并可由散射時間分布函數(shù)α來描述.通過對光激發(fā)載流子動力學(xué)、光激發(fā)薄層電導(dǎo)率以及遷移率變化的研究,我們提出適當增加缺陷濃度,可以進一步降低載流子遷移率和壽命,為研制和設(shè)計優(yōu)良的THz發(fā)射器提供了實驗依據(jù).

低溫生長砷化鎵,超快太赫茲光譜,光電導(dǎo)

1 引言

低溫生長砷化鎵(LT-GaAs)具有高載流子遷移率和快載流子俘獲速率[1?3],以及高暗電阻率和高擊穿電場閾值等優(yōu)點,是研制超快光導(dǎo)開關(guān)和全光開關(guān)[4]以及高效THz發(fā)射器[5,6]和高靈敏度THz探測器的理想材料.

早在20世紀80年代,Auston等[7]利用光電導(dǎo)開關(guān)實現(xiàn)了2.3 ps THz脈沖發(fā)射,該脈沖在自由空間傳播后可以被另一個與發(fā)射源相同的裝置檢測,從而實現(xiàn)了基于光電導(dǎo)天線的THz發(fā)射和探測,它標志著超快THz光電子學(xué)的誕生.作為產(chǎn)生THz脈沖的關(guān)鍵介質(zhì)——光電導(dǎo)材料,應(yīng)具有短的載流子壽命、低的光折射率、窄的帶隙、強的光吸收能力、高的載流子遷移率以及高的耐擊穿電壓.LT-GaAs是最常用的光電導(dǎo)材料.通過低溫條件下(約300 K)生長的GaAs,會引入大量的缺陷,從而形成載流子的俘獲陷阱或復(fù)合中心.LT-GaAs中主要存在兩種載流子俘獲機制:在缺陷俘獲模型中,反位點缺陷[8]AsGa形成類EL2能級[9]俘獲載流子;在肖特基勢壘模型中[5],產(chǎn)生的As沉淀對載流子復(fù)合起主要作用,會形成載流子的復(fù)合中心.值得一提的是,LT-GaAs的光激發(fā)載流子還會受到聲子散射、低載流子遷移率以及長載流子壽命影響,導(dǎo)致產(chǎn)生的THz頻譜較窄以及THz發(fā)射效率不高.因而研究LT-GaAs薄膜中的載流子激發(fā)與俘獲機制,光生載流子與晶格和缺陷等的散射動力學(xué),尤其是光生載流子濃度對載流子動力學(xué)過程的影響是極其重要的,目前這方面研究較少.本文通過THz時間分辨光譜技術(shù),系統(tǒng)研究了光生載流子濃度對載流子壽命、電導(dǎo)率以及遷移率的影響,發(fā)現(xiàn)電子-缺陷散射與光生載流子濃度有顯著的依賴關(guān)系.本文研究結(jié)果可為研制和設(shè)計優(yōu)良的THz發(fā)射器提供實驗依據(jù).

光抽運-太赫茲探測技術(shù)[10?14]是一種非接觸、高靈敏的超快載流子動力學(xué)光譜技術(shù).該光譜技術(shù)可以直接觀測到樣品信號由于光致變化而反映出的信息.太赫茲輻射對半導(dǎo)體表面的自由載流子分布和變化非常敏感,適合于探測光激發(fā)載流子的弛豫過程.本文采用光抽運-太赫茲探測技術(shù)研究LT-GaAs中光生載流子超快載流子動力學(xué)過程,包括其載流子弛豫時間和光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs以及遷移率的變化情況.實驗發(fā)現(xiàn)相比于GaAs,LT-GaAs有一個快速的載流子俘獲過程,光激發(fā)薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運光強增加而增加,在54μJ/cm2時達到飽和,并觀測到LT-GaAs的載流子快過程俘獲時間隨抽運光強增加而變長,載流子的散射時間隨抽運光強增加和延遲時間變長而增加.

2 實驗

本文研究的LT-GaAs由分子束外延方法生長在半絕緣的GaAs襯底上.圖1(a)是樣品結(jié)構(gòu)圖,其中200 nm的GaAs緩沖層生長溫度為600?C,2μm厚LT-GaAs的生長溫度為300?C.最后樣品在(600—630?C)原位退火10Min.

LT-GaAs的超快載流子動力學(xué)實驗由標準的光抽運-太赫茲探測(OPTP)實驗裝置完成.實驗光源來自鈦寶石激光器,激光脈沖寬度約為120 fs,中心波長為800 nm,脈沖的重復(fù)頻率是1 kHz.

圖1 (a)LT-GaAs樣品結(jié)構(gòu);(b)光抽運-太赫茲探測光路Fig.1.(a)The saMp le structure of LT-GaAs in the p resent study;(b)op tical alignMent for op tical puMp and THz p robe spectroscopy.

時間分辨的太赫茲光譜系統(tǒng)是利用同步產(chǎn)生的紅外抽運脈沖和太赫茲探測脈沖實現(xiàn)測量的.圖1(b)給出了實驗光路圖,其中入射超快激光脈沖分成三束:產(chǎn)生光(產(chǎn)生THz輻射)、抽運光和探測光.產(chǎn)生光脈沖作用于(110)取向ZnTe晶體而產(chǎn)生THz輻射,產(chǎn)生的THz脈沖經(jīng)由4個離軸拋物鏡(PM1,PM2,PM3,PM4)進行準直和聚焦,并聚焦到另一塊ZnTe表面進行電光取樣.抽運光用于激發(fā)樣品,使其產(chǎn)生光生載流子.探測光與THz波共線地入射到ZnTe表面,經(jīng)過ZnTe單晶后,在探測光路上依次放置準直透鏡、λ/4波片,Wollaston棱鏡和平衡光電探測器.由平衡光電探測器輸出的信號經(jīng)鎖相放大器放大后由計算機讀取存儲.樣品處THz光斑直徑為1 mm,而抽運光的光斑尺寸為3 mm.THz波的產(chǎn)生和探測由兩片(110)取向的ZnTe晶體完成.OPTP系統(tǒng)有兩個延遲線(線1和線2),首先掃描線1獲得THz時間分辨光譜,為了研究某一延遲時間下的激發(fā)態(tài)載流子的色散關(guān)系,我們將線1固定在特定的延遲時間(如1 ps和5 ps),然后掃描線2,可以得到該延遲時間下的THz時域光譜.通過數(shù)據(jù)處理,可以得到光激發(fā)載流子電導(dǎo)率的實部和虛部.

3 實驗結(jié)果與討論

THz波對半導(dǎo)體表面的自由載流子分布和變化十分敏感.實驗中,可以通過在不同抽運功率下的THz瞬態(tài)透過變化率(?T/T)來探測樣品內(nèi)部光激發(fā)載流子電導(dǎo)率的動力學(xué)過程.其中T為未受光激發(fā)時,THz脈沖透過LT-GaAs的峰值透過率,?T為光激發(fā)后樣品的峰值透過率與未受光激發(fā)時的峰值透過率之差.

圖2給出本征GaAs和LT-GaAs的THz時間分辨光譜,歸一化??T/T上升時間為光激發(fā)產(chǎn)生的自由載流子對THz波的吸收過程.相比于本征GaAs,LT-GaAs的歸一化??T/T有一個快速回復(fù)的過程.THz透過率的快速回復(fù)過程來源于光激發(fā)自由載流子被LT-GaAs中缺陷的快速俘獲.

圖2 LT-GaAs和本征GaAs瞬態(tài)透過變化率?T/T隨抽運-探測延遲時間的變化Fig.2.The transient transMittance of LT-GaAs and intrinsic GaAs wafer.

光激發(fā)LT-GaAs電導(dǎo)率σ與?T/T之間的關(guān)系由下面公式表示[15,16]:

其中,n為樣品襯底的折射率,Z0為自由空間阻抗,d為光在樣品中的穿透深度.為簡單起見,這里考慮光激發(fā)薄層電導(dǎo)率(sheet conductivity)σs=σ/d.

為了更完整地研究LT-GaAs的超快載流子動力學(xué)過程,圖3(a)給出了不同抽運功率下THz瞬態(tài)透過率的變化.抽運功率為1.5μJ/cm2時,樣品處于非飽和狀態(tài),響應(yīng)曲線分為三個過程,上升過程是光激發(fā)樣品產(chǎn)生大量自由電子使太赫茲透過率迅速降低的過程,即?T/T迅速變小,相應(yīng)的σs迅速增大.接著的快速回復(fù)過程是LT-GaAs缺陷快速俘獲自由電子的過程,這個過程中THz的透過率迅速恢復(fù),從而σs迅速減小.最后一個慢過程源于電子-空穴對的復(fù)合過程,該過程時間較長.圖3(a)表明抽運功率在1.5—5.0μJ/cm2時,樣品的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率線性增加.當功率為15μJ/cm2時,樣品接近飽和狀態(tài).當功率為60μJ/cm2時,樣品的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率已完全飽和.由于LT-GaAs內(nèi)部缺陷數(shù)量是有限的,當光生自由載流子將缺陷填滿時,LT-GaAs就不再具備俘獲載流子的能力.因此可以通過增加缺陷的數(shù)量去提高載流子的飽和光強.圖3(a)中的插圖是500 ps窗口下的抽運-探測動力學(xué)過程,發(fā)現(xiàn)自由電子在快速俘獲過程之后會有很長時間的慢弛豫過程,顯然這個慢過程的時間大于500 ps.

圖3(b)是圖3(a)的歸一化曲線.當樣品處于臨界飽和狀態(tài)時,缺陷俘獲自由載流子的快過程也隨之減慢.圖3(b)中的插圖是缺陷俘獲電子快過程的放大圖.當樣品完全飽和后,快過程消失,同時還可以看到LT-GaAs產(chǎn)生自由電子上升過程也變慢了.

對圖3(a)中載流子的弛豫快過程可以很好地用單指數(shù)擬合,圖3(c)給出擬合的快過程壽命與激發(fā)功率的關(guān)系,插圖中給出激發(fā)功率為5μJ/cm2時的單指數(shù)擬合曲線,可見與實驗數(shù)據(jù)符合很好.

由圖3(c)可以看到,抽運光功率越高,缺陷俘獲快過程越慢.考慮快過程主要由電子-聲子和電子-雜質(zhì)缺陷散射過程主導(dǎo)(電子-空穴復(fù)合壽命在納秒量級,這里可以忽略不計),其觀測到的弛豫時間可表示為

其中τ是觀測的總弛豫時間,τe-p是電子-聲子弛豫時間,τe-d是電子-雜質(zhì)缺陷弛豫時間,A是隨載流子濃度變化而變化的系數(shù).τe-p由材料性質(zhì)決定,是不隨激發(fā)光功率變化的一個常數(shù).根據(jù)實驗現(xiàn)象可以推測光強變強時,載流子壽命變長,表明高功率下缺陷俘獲載流子概率變小,即系數(shù)A變小.這是由于高的激發(fā)功率下,載流子濃度較高,電子間的庫侖相互作用部分屏蔽了缺陷對電子的俘獲概率.電子間由于庫侖作用而導(dǎo)致缺陷對電子俘獲概率下降的過程將在下面討論光激發(fā)薄層電導(dǎo)率色散關(guān)系中予以詳細討論.

圖3(d)是光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的峰值和抽運功率之間的變化關(guān)系圖.可以用下面關(guān)系式擬合[17,18]:

其中Fp是抽運功率,Fs是可吸收飽和光強,a和b是常數(shù).擬合曲線給出的飽和光強的大小是54μJ/cm2.通過飽和光強可以知道線性區(qū)域范圍.

圖3 (a)(網(wǎng)刊彩色)不同抽運光強下光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的載流子動力學(xué),插圖是較長時間尺度下的實驗數(shù)據(jù);(b)歸一化光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs的載流子動力學(xué),插圖是快過程放大圖;(c)快過程俘獲時間隨抽運功率變化關(guān)系,插圖為單指數(shù)擬合曲線;(d)光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs峰值隨抽運功率變化關(guān)系Fig.3.(color online)(a)DynaMics of transient photoinduced sheet conductivityσs w ith several puMp fl uence,the inset illustrates transient sheet photoconductivity in a 500 ps tiMe w indow;(b)norMalized transient photoinduced sheet conductivityσs,the inset is a zoom-in of the fast p rocess;(c)the fi tting fast relaxation tiMe as a function of puMp fl uence;(d)peak sheet conductivityσs as a function of puMp fl uence,the solid line is the fi tting curve w ith the fi tting function shown in the figure.

可以通過分析電導(dǎo)率色散關(guān)系得到樣品內(nèi)部光激發(fā)薄層載流子濃度、散射時間和遷移率這些重要參數(shù).最常用的電導(dǎo)率模型是Drude模型,即假設(shè)電子是自由的,電子之間沒有相互作用.我們的LT-GaAs數(shù)據(jù)中,Drude模型不能完全解釋電導(dǎo)率和頻率的依賴關(guān)系.這里,我們利用由Debye模型[19,20]修改而得到的Cole-Cole D rude(CC Drude)[12]模型來擬合實驗上獲得的電導(dǎo)率色散關(guān)系.一般半導(dǎo)體中,由于缺陷濃度較小,光激發(fā)載流子表現(xiàn)的電導(dǎo)率色散關(guān)系可以用自由電子模擬——Drude模型來很好地處理.但是在LT-GaAs中,由于存在大量的缺陷,這些缺陷很容易俘獲導(dǎo)帶中的自由電子.缺陷俘獲導(dǎo)帶電子過程是非彈性碰撞過程,其過程與電子-聲子彈性碰撞過程不同.因此在LT-GaAs中會引入新的散射,這時就需要用C-C D rude模型來擬合.實際上,電子-電子間的庫侖作用和電子-雜質(zhì)缺陷俘獲過程是個相互競爭的過程.電子濃度較小時,電子間的庫侖相互作用不足以屏蔽缺陷對電子的俘獲過程,因而低激發(fā)光強下,缺陷對激發(fā)態(tài)電子俘獲概率較大,表現(xiàn)為電子壽命較短;而高光強下,電子濃度較高,電子間的庫侖作用部分屏蔽了缺陷對電子的俘獲概率,導(dǎo)致激發(fā)態(tài)電子壽命較長.這可從圖3(c)中清楚地看到.為定量描述光激發(fā)載流子對電導(dǎo)率以及散射時間的貢獻,在Drude模型中引入一個散射時間分布參數(shù)α[21,22],用以表征電子-雜質(zhì)缺陷間的相互作用,這就是C-C D rude模型[13,24].該模型中,α越大,電子-雜質(zhì)缺陷散射就越大,即光激發(fā)薄層載流子濃度越小,α就越大.光激發(fā)薄層電導(dǎo)率色散關(guān)系可以表述為[12]

其中σs是光激發(fā)薄層電導(dǎo)率,ε0是自由空間介電常數(shù),τs是散射時間,ω是頻率,α是散射時間分布參數(shù),ωp是等離子振蕩頻率是光激發(fā)薄層載流子濃度).當α=0時,(4)式退化為Drude模型.如圖4所示,實線是C-C Drude模型擬合曲線,虛線是Drude模型擬合曲線.對比Drude模型和C-C Drude模型,C-C Drude模型能更好擬合實驗數(shù)據(jù).

對比圖4(a)和圖4(b),可以得到抽運功率越大,樣品內(nèi)部光激發(fā)薄層電導(dǎo)率越大.通過C-C Drude模型擬合電導(dǎo)率,可以得知當抽運光功率變強時,光激發(fā)薄層載流子濃度變大(從2×1010cm?2變到9.9×1010cm?2),遷移率也變大(從950 cm?1·V?1·s?1變到1700 cm?1·V?1·s?1),即散射時間τs變大.其中圖4(a)中α=0.8,圖4(b)中α=0.06,即電子濃度越小時,電子-雜質(zhì)缺陷散射越顯著.在圖4(a)中,散射主要來源于電子-雜質(zhì)缺陷散射,這時自由電子濃度小(2×1010cm?2),電子-電子間的庫侖作用不足以屏蔽電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對電子的俘獲概率變得更大,從而散射變得更加劇烈.在圖4(b)中,抽運光功率提高意味著樣品產(chǎn)生的自由電子數(shù)量多(9.9×1010cm?2),電子-電子間的庫侖作用部分地屏蔽了電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對電子的俘獲概率變得更小,從而散射變得更弱.因而,高激發(fā)光強下,載流子表現(xiàn)出較長的壽命和較大的遷移率,這主要源于電子-電子間的庫侖作用對電子-雜質(zhì)缺陷散射的屏蔽作用.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)在抽運功率為2μJ/cM2和延遲時間為1 ps時,光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs色散關(guān)系;抽運功率為15μJ/cM2和延遲時間為(b)1 ps和(c)5 ps時,光激發(fā)薄層電導(dǎo)率σs色散關(guān)系.圖中虛線和實線分別為D rude和C-C D rude模型擬合曲線Fig.4.(color on line)(a)Sheet conductivity spetra of photocarreir at puMp fl uence of 2μJ/cM2 at selected puMp-p robe delays t p=1 ps;sheet conductivity spectra of photocarrier at puMp fl uence 15μJ/cM2 at selected puMp-p robe delays t p=1 ps(b)and 5 ps(c).The dash and solid lines are the fi tting curves w ith D rude and Cole-Cole D rude Model,respectively.

對比圖4(b)和圖4(c),可以看到延遲時間越長,樣品內(nèi)部的光激發(fā)薄層電導(dǎo)率越小.通過C-C Drude模型擬合電導(dǎo)率,光激發(fā)薄層載流子濃度Ns從1 ps的9.9×1010cm?2降低到5 ps的1.4×1010cm?2,而遷移率卻從1700 cm?1·V?1·s?1增加到3000 cm?1·V?1·s?1,即散射時間τs變大.此外,圖4(c)中擬合結(jié)果給出了α=0.4,表明隨著電子濃度減小,電子間的庫侖屏蔽作用降低,電子-雜質(zhì)缺陷散射概率逐漸增大.由于此時缺陷濃度過低,從而電子-雜質(zhì)缺陷散射并不是很劇烈,因而,隨著延遲時間增加,遷移率變大.表1中列出了不同抽運功率和延遲時間下,利用C-C Drude模型擬合光激發(fā)薄層電導(dǎo)率變化的擬合參數(shù).

表1 不同抽運功率和延遲時間下,C-C D rude模型擬合LT-GaAs薄膜中光激發(fā)薄層載流子電導(dǎo)率參數(shù)Tab le 1.Fitting paraMeters of photoinduced sheet conductivity in LT-GaAs fi lMw ith Cole-Cole D rude Model under d iff erent puMp fl uences and puMp-p robe delays.

我們的實驗和理論分析表明,LT-GaAs作為THz發(fā)射和探測的重要材料,在合適的光強下才能達到最佳工作狀態(tài)[23,24],過高的光強會導(dǎo)致輻射的THz頻率變窄的同時,也會導(dǎo)致其輻射效率下降.適當增加缺陷濃度,可以進一步降低載流子遷移率和壽命.

4 結(jié)論

本文采用光抽運-太赫茲探測技術(shù),系統(tǒng)研究了LT-GaAs受激載流子的超快載流子動力學(xué)過程.LT-GaAs光激發(fā)薄層電導(dǎo)率峰值隨抽運光強增加而增加,最后趨于飽和,飽和功率為54μJ/cm2.LT-GaAs有載流子俘獲快過程,其俘獲時間隨抽運光強增加而變長,是因為載流子濃度變大時,電子間的庫侖相互作用部分屏蔽了缺陷對電子的俘獲概率.光激發(fā)薄層電導(dǎo)率的色散關(guān)系很好地符合Cole-Cole D rude模型.擬合結(jié)果表明LT-GaAs內(nèi)部載流子的散射時間隨抽運光強增加和延遲時間變長而增加,主要來源于電子-電子散射以及電子-雜質(zhì)缺陷散射共同貢獻:當電子濃度很小時,電子-電子間的庫侖作用不足以屏蔽電子-雜質(zhì)缺陷散射,缺陷對電子俘獲概率較大,而當電子濃度較高時,電子間的庫侖作用將部分屏蔽缺陷對電子的俘獲過程,而導(dǎo)致激發(fā)態(tài)電子具有較長的壽命和較大的遷移率.不過當延遲時間變長時,由于缺陷濃度過低,從而電子-雜質(zhì)缺陷散射并不是很劇烈,因而,延遲時間變長時,電子濃度變小,遷移率卻變大.我們的研究結(jié)果為研制和設(shè)計優(yōu)良的THz發(fā)射器提供了實驗依據(jù).

[1]Beard MC,Turner G M,SchMuttenMaer C A 2001 J.Appl.Phys.90 5915

[2]Beard MC,Turner G M,SchmuttenMaer C A 1999 Phys.Rev.B 62 61

[3]Segschneider G,Dekorsy T,K urz H,Hey R,P loog K 1997 Appl.Phys.Lett.71 2779

[4]K rotkus A,Bertu lis K,Dapkus L,O lin U,Marcinkevicius S 1999 Appl.Phys.Lett.75 3336

[5]Jepsen P U,Jacobsen R H,K eid ing S R 1996 J.Opt.Soc.Am.B 13 2424

[6]CaMus E C,Hughes J L,Johnston MB 2005 Phys.Rev.B 71 195301

[7]Auston D H,Cheung K P,SMith P R 1984 Appl.Phys.Lett.45 284

[8]Melloch M,W oodall J,HarMon E,O tsuka N,Pollak F,Nolte D,Feenstra R,Lutz M1995 Annu.Rev.Mater.Sci.25 547

[9]W eber Z L,Cheng H,Gup ta S,W hitaker J,Nichols K,SMith F 1993 J.E lectron.Mater.22 1465

[10]U lbricht R,Hend ry E,Shan J,Heinz T F,Bonn M2011 Rev.Mod.Phys.83 543

[11]Jepsen P U,Cooke D G,Koch M2011 Laser Photonics Rev.5 124

[12]Beard MC,Tu rner G M,SchMu ttenMaer C A 2000 Phys.Rev.B 62 15764

[13]Lui K P H,HegMann F A 2001 Appl.Phys.Lett.78 3478

[14]K ad lec F,NeMec H,Kuzel P 2004 Phys.Rev.B 70 125205

[15]Shi Y L,Zhou Q L,Zhang C L,Jin B 2008 Appl.Phys.Lett.93 121115

[16]Gao F,Carr L,Porter C D,Tanner D B,W illiaMs G P,H ierschMugl C J,Dutta B,W u X D,EteMad S 1996 Phys.Rev.B 54 700

[17]Porte H P,Jepsen P U,Daghestani N,Rafailov E U,Turchinovich D 2009 Appl.Phys.Lett.94 262104

[18]HaiMl M,G range R,K eller U 2004 App l.Phys.B 79 331

[19]Cole K S,Cole R H 1941 J.Chem.Phys.9 341

[20]Jeon T I,G rischkow sky D 1997 Phys.Rev.Lett.78 1106

[21]Jeon T I,G rischkow sky D 1998 Appl.Phys.Lett.72 2259

[22]Mics Z,Angio A D,Jensen S A,Bonn M,Turchinovich D 2013 Appl.Phys.Lett.102 231120

[23]Kostakis I,Missous M2013 A IP Adv.3 092131

[24]Kostakis I,Saeedkia D,Missous M2012 IEEE Trans.Terahertz Sci.Technol.2 617

(Received 7 DeceMber 2016;revised Manuscrip t received 19 January 2017)

PACS:78.30.Fs,78.47.–p,72.20.–iDOI:10.7498/aps.66.087801

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.11674213,11604202,61405233),the National Key Scientific InstruMent and EquipMent DevelopMent Project of China(G rant No.2011YQ150021),and the Research Innovation Fund of the Shanghai Education ComMittee,China(G rant No.14ZZ101).

?Corresponding author.E-Mail:ghMa@staff.shu.edu.cn

Study on u ltrafast dynaMics of low-teMperatu re grow n GaA s by op tical puMp and terahertz p robe spectroscopy?

Fan Zheng-Fu1)Tan Zhi-Yong2)Wan Wen-Jian2)Xing Xiao1)Lin Xian1)Jin Zuan-Ming1)Cao Jun-Cheng2)Ma Guo-Hong1)?

1)(DepartMent of Physics,Shanghai University,Shanghai 200444,China)2)(Key Laboratory of Terahertz Solid State Technology,Shanghai Institu te MicrosysteMand InforMation Technology,Chinese AcadeMy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Low-teMperature-grown GaAs(LT-GaAs)possesses high carrierMobility,fast charge trapping,high dark resistance,and large threshold breakdown voltage,which make LT-GaAs a fundamental material for fabricating the ultrafast photoconductive sw itch,high effi cient terahertz eMitter,and high sensitive terahertz detector.A lthough lotsof researches have been done on the optical and optoelectrical p roperties of LT-GaAs,the u ltrafast dynaMics of the photoexcitation and the relaxation mechanisMare still unclear at present,especially when the photocarrier density is close to or higher than the defect density in the LT-GaAs,the dispersion of photocarriers show s a coMp licated puMp fluence dependence.W ith the developMent of THz science and technology,the terahertz spectroscopy has becoMe a powerful spectroscopic method,and the advantages of thismethod are contact-free,highly sensitive to free carriers,and sub-picosecond time resolved.In this article,by eMp loying op tical puMp and terahertz probe spectroscopy,we investigate the ultrafast carrier dynaMics of photogenerated carriers in LT-GaAs.The resu lts reveal that the LT-GaAs has an u ltrafast carrier cap ture p rocess in contrast w ith that in GaAs wafer.The photoconductivity in LT-GaAs increases linearly w ith puMp fluence at low power,and the saturation can be reached when the puMp fluence is higher than 54μJ/cM2.It is also found that the fast process shows a typical relaxation time of a few ps contributed by the capture of defects in the LT-GaAs,which is strongly dependent on puMp fluence:higher puMp fl uence show s longer relaxation tiMe and larger carrierMobility.By eMp loying Cole-Cole D rudeModel,we can reproduce the photoconductivity well.Our results reveal that photocarrier relaxation time is doMinated by the carrier-carrier Coulomb interaction:under low carrier density,the carrier-carrier Coulomb interaction is too sMall to screen the iMpurity-carrier scattering,and iMpurity-carrier scattering p lays an iMportant role in the photocarrier relaxation p rocess.On the other hand,under high puMp fluence excitation,the carrier-carrier Coulomb interaction screens partially the iMpurity-carrier scattering,which leads to the reduction of iMpurity-carrier scattering rate.As a result,the photocarrier lifetiMe andMobility increasew ith increasing puMp fluence.The experimental findings provide fundamental information for developing and designing an effi cient THz eMitter and detector.

low temperature GaAs,ultrafast THz spectroscopy,photoconductivity

10.7498/aps.66.087801

?國家自然科學(xué)基金(批準號:11674213,11604202,61405233)、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(批準號:2011YQ 150021)和上海市教委重點課題(批準號:14ZZ101)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:ghMa@staff.shu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn