【摘 要】
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近年来,世界各国对太赫兹(terahertz,即THz)科学与技术这一光电交叉学科进行了广泛研究,并取得了丰硕的成果。太赫兹波在物体成像与检测、环境监测、医药卫生、移动通信、航空航天等领域有着巨大的应用潜力。目前,太赫兹领域内的相关器件甚少,为此,我们尝试使用太赫兹波作用于砷化镓(gallium arsenide,即GaAs)半导体材料并研究其相关性质。GaAs是一种闪锌矿型结构的第二代半导体材料
【基金项目】
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国家自然科学基金专项基金项目(No.61575161);
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近年来,世界各国对太赫兹(terahertz,即THz)科学与技术这一光电交叉学科进行了广泛研究,并取得了丰硕的成果。太赫兹波在物体成像与检测、环境监测、医药卫生、移动通信、航空航天等领域有着巨大的应用潜力。目前,太赫兹领域内的相关器件甚少,为此,我们尝试使用太赫兹波作用于砷化镓(gallium arsenide,即GaAs)半导体材料并研究其相关性质。GaAs是一种闪锌矿型结构的第二代半导体材料,其具有双能谷直接带隙及较高的迁移率,在光电子学和微电子学方面应用广泛。GaAs材料与太赫兹技术的结合可为设计太赫兹器件提供新思路。本论文利用太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy,即THz-TDS)技术研究了GaAs样品于太赫兹波段内的光谱特性,将其时域谱经傅里叶变换转换为频域谱,处理数据后得到GaAs样品在0.6~4.0THz频率范围内的相关光学和电学参数,如GaAs的折射率、消光系数、吸收系数、相对介电常数、介电损耗及电导率。折射率虚部、复介电常数虚部和介电损耗值都较小,表明GaAs样品在太赫兹波段具有很好的介电性质,GaAs样品的电导率数值幅度在10-11量级,表明GaAs样品的导电性极差、半绝缘性好。同时,我们采用光泵浦太赫兹探测(optical-pump terahertz-probe,即OPTP)技术对GaAs样品光激层的载流子进行了超快动力学研究,结果发现:增大激光光能或者加强泵浦光光能都能使太赫兹波通过GaAs样品的透过率降低,主要是因为其光激层产生了大量的载流子而导致GaAs样品对太赫兹波的吸收加强;但不是激光光能或者泵浦光光能越大越好,两者的数值过大可能会引起材料的本征性质突变而导致太赫兹波透过率迅速增大。最后,研究了光泵浦下GaAs样品载流子的超快弛豫过程和吸收漂白效应。GaAs样品载流子的超快弛豫过程主要是由非平衡载流子之间初始非弹性散射过程和载流子的复合过程组成。载流子的初始散射时间为33.21ps,复合过程的载流子有效寿命为2.05ns。采用指数函数模型对其载流子的弛豫复合过程进行拟合,得到复合过程的载流子寿命为2.55ns,与计算所得的载流子有效寿命2.05ns相近,并指出辐射复合在其载流子复合机制中起主导作用。GaAs载流子的吸收漂白效应是由于在较高的太赫兹波能量下GaAs样品载流子发生谷间散射引起的。
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