научная статья по теме ЭМИССИЯ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ СЕЛЕКТИВНО ЛЕГИРОВАННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN/GAN ПРИ РАЗОГРЕВЕ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭМИССИЯ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ СЕЛЕКТИВНО ЛЕГИРОВАННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР ALGAN/GAN ПРИ РАЗОГРЕВЕ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 2, с. 236-239

УДК 535.3

ЭМИССИЯ ТЕРАГЕРВДВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ СЕЛЕКТИВНО ЛЕГИРОВАННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР AlGaN/GaN ПРИ РАЗОГРЕВЕ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

© 2012 г. В. А. Шалыгин1, Л. Е. Воробьев1, Д. А. Фирсов1, А. Н. Софронов1, Г. А. Мелентьев1, М. Я. Винниченко1, В. В. Лундин2, А. Е. Николаев2, А. В. Сахаров2, А. Ф. Цацульников2

E-mail: shalygin@rphf.spbstu.ru

Исследована эмиссия терагерцевого излучения из гетероструктуры AlGaN/GaN при разогреве двумерных электронов в латеральном электрическом поле. Полевая зависимость температуры горячих электронов определена на основании анализа экспериментальных вольт-амперных характеристик. Рассмотрена теоретическая модель теплового излучения горячих двумерных электронов и проведено сопоставление результатов расчета с экспериментом по эмиссии терагерцевого излучения.

Источники терагерцевого (ТГц) излучения находят широкое применение во многих областях науки и техники: в спектроскопии материалов и биологических объектов, в медицинской диагностике и терапии, в системах безопасности и экологического мониторинга, в беспроводной связи. В последние годы внимание исследователей привлекает нитрид галлия как материал для ТГц-эмиттеров с электрической накачкой (см. [1, 2] и цитированные в них работы). Недавно в эпитак-сиальных слоях п-ОаМ наблюдалась ТГц-элек-тролюминесценция в условиях примесного пробоя [3], когда эмиссия ТГц-фотонов в основном вызвана внутрицентровыми донорными переходами. Еще одна возможность получить интенсивную эмиссию ТГц-фотонов из ОаМ — это разогрев электронов в сильных электрических полях. При этом наиболее перспективен двумерный (2П) электронный газ в гетероструктурах Л1ОаМ/ОаМ [4, 5], поскольку для него характерно значительное увеличение подвижности электронов по сравнению с трехмерным электронным газом в объемных эпитаксиальных слоях ОаМ, что обеспечивает более существенный разогрев электронов.

В данной работе проведены детальные экспериментальные исследования спонтанной эмиссии ТГц-излучения из селективно легированной гетероструктуры Л1ОаМ/ОаМ при разогреве 2^-электронов в латеральном электрическом поле. С целью определить зависимость температуры горячих электронов от электрического поля были также выполнены экспериментальные исследования вольт-амперных характеристик гетеро-структуры и проведены теоретические расчеты

1 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

2 Учреждение Российской академии наук Физико-технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург.

скорости потери энергии горячими электронами. Рассмотрена теоретическая модель теплового излучения горячих 2^-электронов и проведено сопоставление результатов расчета с данными эксперимента по эмиссии ТГц-излучения.

Исследовалась гетероструктура Л1ОаМ/ОаМ, выращенная на подложке из сапфира. Структура включала изолирующий буфер ОаМ (4 мкм), интерфейсный слой ЛШ (1 нм), селективно легированный барьер Л103Оа0.7М (20 нм) и нелегированный покровный слой ОМ (5 нм). Чтобы подавить формирование проводящего слоя на интерфейсе ОаМ/сапфир, зародышевый слой ОаМ отжигался в безводородной среде. При этом высокотемпературный рост буферного слоя ОаМ сразу начинается в квазидвумерном режиме [6]. Поверхностная концентрация электронов п в треугольной квантовой яме, возникающей на гетероинтерфейсе Л1ОаМ/ОаМ, составляла 1.6 • 1013 см-2, подвижность носителей ц возрастала от 1500 до 5700 см2 • В-1 • с-1 при охлаждении структуры от 300 до 4.2 К. На поверхности образцов создавались электрические контакты Т/Ли на расстоянии 6.2 мм друг от друга, длина контактов составляла 5 мм. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) измерялись в электрических полях до 4000 В • см-1 в диапазоне температур от 4.2 до 300 К. Интегральная интенсивность ТГц-излучения с поверхности образца регистрировалась в полосе чувствительности фотоприемника Ое : Оа (по уровню 0.5 - энергии фотонов от 10 до 19 мэВ). Фотоприемник был погружен в жидкий гелий, между фотоприемником и образцом располагался фильтр из черного полиэтилена, чтобы исключить возможные паразитные сигналы фотоответа в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах. Излучение регистрировалось в телесном угле 0.25 ср. Все измерения проводились в импульсных электри-

ЭМИССИЯ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ГЕТЕРОСТРУКТУР AlGaN/GaN

237

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики гетерострук-туры AlGaN/GaN и полевые зависимости подвижности 2^-электронов при различных температурах кристаллической решетки.

Рис. 2. Полевые зависимости температуры горячих 2^-электронов и интегральной интенсивности эмиссии ТГц-излучения из гетероструктуры AlGaN/GaN при Т = 4.2 К. Кружки — эксперимент, штриховая линия — расчет.

ческих полях, чтобы предотвратить нагрев образца (длительность импульса — 2 мкс, частота повторения — менее 1 Гц).

Экспериментальные исследования ВАХ при температуре решетки Т = 4.2 К (рис. 1) показали, что в полях свыше 40 В • см-1 наблюдается уменьшение подвижности 2^-электронов с ростом электрического поля. Значительное снижение подвижности электронов начинается тогда, когда разогрев электронов в электрическом поле достаточно силен (эффективная электронная температура Те > 100 К) и рассеяние с эмиссией оптических фононов начинает играть существенную роль. Результаты теоретических расчетов скорости потери энергии при различных механизмах рассеяния 2^-электронов в треугольной квантовой яме приведены в [5]. С помощью уравнения баланса мощности на основании экспериментальной полевой зависимости подвижности электронов можно определить зависимость эффективной температуры электронов Те от электрического поля. Найденная зависимость Те(Е) для структуры с температурой решетки 4.2 К представлена на рис. 2. В интервале полей от 0 до 40 В • см-1 происходит резкий рост электронной температуры от 4.2 до 100 К, который связан с низким значением скорости потери энергии, определяемой рассеянием на акустических фононах. В более высоких полях рост электронной температуры ограничивается интенсивным рассеянием на полярных оптических фононах.

Экспериментальная зависимость интегральной интенсивности ТГц-излучения от латерального электрического поля, приложенного к образцу, представлена на рис. 2. В максимальных электрических полях, когда еще не происходило разрушение образцов, была достигнута инте-

гральная интенсивность ТГц-излучения около 10 мкВт • см-2 (в телесном угле 0.25 ср).

Теоретическое описание эмиссии ТГц-излучения горячими электронами из квантовой ямы AlGaN/GaN можно провести с помощью модели, разработанной в [7]. Следуя этой статье, мы применили модель Друде для динамической электропроводности 2^-электронов: 2

СТ(Ю) = e-Jhhm-1-, (i)

me 1 - /ютm

где w — круговая частота ТГц-излучения, е и me — заряд и эффективная масса электронов, тт — зависящее от поля время релаксации, определяемое экспериментальной полевой зависимостью подвижности 2^-электронов ц(Е): тт(Е) = тец(Е)/е. Поглощательная способность (которая равна из-лучательной способности) тонкого (гораздо меньше длины волны излучения) проводящего слоя на гетероинтерфейсе AlGaN/GaN может быть рассчитана на основе [8] и при нормальном падении (9 = 0) описывается соотношениями

A(d) = 4RУ , y = 4па(ш), (2)

|1 + Vk s + y c

где Ks = 9.0 — диэлектрическая проницаемость сапфировой подложки. Спектральная плотность теплового излучения 2^-электронов с эффективной температурой Te описывается распределением Планка

— = f—^-^-A(w)cos 0dQ, (3)

dю J 4п c [exp (ю/kBTe) -1]

где d Q = 2 n sin 0 d 0 — элемент телесного угла. В (3) мы пренебрегаем 9-зависимостью поглощатель-ной способности A(w) и рассматриваем конфигурацию нормального падения (9 = 0), поскольку эксперимент проводился в пределах малого те-

238

10-

f, ТГц

1 10 100 Г1-1—I мим-1-1—I мим-1-1—I lililí-

" "ачт

S 10

o

-17

ч 10-18

3

^ 10-19

10-20 1012

ШАЛЫГИН и др.

Ж — roF > h(ü0 — йш Ж — Жр < йшо — йш

1013 _1 10 ю, c 1

14

10

15

Рис. 3. Спектры излучения абсолютно черного тела (Т = 400 К) и горячих 2Д-электронов в исследованной гетероструктуре ЛЮаЫ/ОаК (Те = 400 К, Т = 4.2 К). Расчет для телесного угла О = 0.25 ср.

Ж ■ Ж

й©0 + йю f2 h

Í й©0 — йю fl Í3

лад

Рис. 4. Неравновесная функция распределения 2Д-электронов (слева) и диаграмма непрямых оптических переходов с эмиссией ТГц-фотонов (справа). Переходы г^-/2 и 13-/3 сопровождаются соответственно испусканием и поглощением оптических фоно-нов. Переход 11-/1 соответствует одному из других процессов рассеяния, которые определяют подвижность электронов в слабых и промежуточных электрических полях.

k

xy

лесного угла ^ = 0.25 ср. Более общее рассмотрение показывает, что нелинейность зависимости интегральной интенсивности излучения I =

= [ ¿^-йю от величины телесного угла становится йю

Аш

существенной лишь при ^ > 1 ср.

Спектр теплового излучения горячих 2Д-элек-тронов на гетероинтерфейсе Л1ОаМ/ОаМ существенно отличается от спектра эмиссии абсолютно черного тела (АЧТ) при такой же температуре (см. рис. 3). У АЧТ поглощательная (излучатель-ная) способность всегда равна единице, а у горячих электронов при частотах / > 1 ТГц она быстро

убывает с частотой по закону А(ю) ж ю-2, что приводит к существенному спектральному сдвигу полосы излучения горячих 2Д-электронов по сравнению с АЧТ В частности, при температуре горячих электронов 400 К максимум спектральной плотности их излучения соответствует ТГц-

диапазону (/^ах = 4.4 ТГц). При такой же температуре абсолютно черное тело характеризуется спектральным распределением интенсивности излучения с максимумом при значительно более высокой частоте, относящейся к среднему ИК-диапазону (/^ах = 24 ТГц).

Сигнал на фотоприемнике Ое : Оа моделировался с учетом его спектральной чувствительности Д(ю):

Upd = S

Í

d-(а,Те) - d1 (ю,Т) d ю d ю

D(oi)d ю,

(4)

где S - площадь излучающей поверхности образца. Величина иРВ характеризует интегральную интенсивность падающего на фотоприемник излучения (в пределах его полосы чувствительности). Сравнивая экспериментальную полевую зависимость сигнала фотоответа с р

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком