Управление генерацией терагерцевого излучения в легированных (Al, Ga, In)As наногетероструктурах с плазмонными фотопроводящими антеннами посредством встроенного поперечного электрического поля

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00656

НазваниеУправление генерацией терагерцевого излучения в легированных (Al, Ga, In)As наногетероструктурах с плазмонными фотопроводящими антеннами посредством встроенного поперечного электрического поля

Руководитель Климов Евгений Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-704 - Микро- и наноэлектромеханические устройства

Ключевые слова молекулярно-лучевая эпитаксия, GaAs, AlGaAs, InGaAs, фотопроводящая антенна, терагерцевое излучение, фемтосекундный лазер, время жизни неравновесных носителей, рассогласование параметра решётки, пьезоэлектрический эффект, импульсная терагерцевая спектроскопия, встроенное электрическое поле

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Терагерцевое излучение играет фундаментальную роль и имеет практическую значимость для развития систем визуализации и спектроскопии. В последнее время широко исследуются процессы, происходящие при взаимодействии с поверхностью полупроводников сверхкоротких оптических лазерных импульсов, приводящих к испусканию терагерцевых волн с широким частотным спектром (от субТГц до нескольких ТГц). Проводятся как фундаментальные исследования протекания быстрых релаксационных процессов в полупроводниках и низкоразмерных наноструктурах для определения механизмов испускания ТГц излучения и измерения материальных констант, так и прикладные разработки, связанные с возможностями использования широкополосных ТГц импульсов для различных приложений, таких как ТГц спектроскопия и визуализация в медицине, безопасности, контроле производства. В последнем случае разрабатываются методы повышения эффективности оптико-терагерцевой конверсии и мощности полезного терагерцевого сигнала. Целью настоящего проекта является разностороннее изучение возможности управления параметрами импульсного терагерцевого излучения, создаваемого поверхностью полупроводниковых наногетероструктур самой по себе, а также с расположенных на ней плазмонных фотопроводящих антенн (ФПА), с помощью встроенных в наногетероструктуры электрических полей. Проект направлен на а) фундаментальное исследование роли электрического поля в процессах, происходящих при сверхкоротком импульсном фотовозбуждении полупроводниковых соединений (Al, Ga, In)As; б) разработку и синтез новых полупроводниковых наногетероструктур для эффективной генерации ТГц излучения со встроенными поперечными электрическими полями, индуцированными пьезоэффектом и/или легированием; в) конструирование и синтез плазмонных ФПА со встроенными электрическими полями для увеличения эффективности оптико-терагерцевого преобразования. Использование пьезоэлектрических полей для модуляции вертикального встроенного электрического поля в ТГц источниках предлагается впервые. В качестве базовых структур для создания в них встроенных электрических полей за счет пьезоэффекта планируется использовать InGaAs/AlGaAs/GaAs и InGaAs/InAlAs/InAs упруго-напряженные гетероструктуры на подложках GaAs и InP. Такие структуры могут быть выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии с любой заданной толщиной и рассогласованием параметра решетки напряженных слоев. Для преодоления ограничений критической толщины будет использован механизм компенсации напряжений в гетероструктурах InGaAs/InAlAs. Метаморфный буфер InGaAlAs с градиентом состава и параметра решётки позволяет создать “виртуальную” подложку с заданным параметром решетки, и будет использован для выращивания напряженных слоев InAs. Импульсная ТГц спектроскопия будет использована для определения спектрального состава и амплитуды генерируемого наногетероструктурами и плазмоными ФПА ТГц излучения под действием фемтосекундной оптической импульсной накачки. Измерение эффективности оптико-ТГц конверсии, поляризационных характеристик, временного профиля и спектра ТГц излучения будет проведено в зависимости от ориентации наногетероструктур по отношению к плоскости поляризации лазерной накачки для выявления механизмов генерации ТГц волн: оптического выпрямления или эффектов переходного фототока, и при различной мощности накачки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. A.N. Klochkov, G.B. Galiev, E.A. Klimov, S.S. Pushkarev Si-doping of low-temperature-grown GaAs heterostructures on (100) and (111)A GaAs substrates Physica Status Solidi B (год публикации - 2022)
10.1002/pssb.202200297

2. Е.А. Климов, С.С. Пушкарёв, А.Н. Клочков ВЛИЯНИЕ ВСТРОЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СПЕКТРЫ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ УПРУГО-НАПРЯЖЕННЫХ СВЕРХРЕШЁТОК InGaAs/GaAs НА ПОДЛОЖКАХ GaAs (110) И (111)А Нано- и микросистемная техника, Том 24, № 6, стр. 283-287 (год публикации - 2022)
10.17587/nmst.24.283-287

3. Е.А. Климов, С.С. Пушкарёв, А.Н. Клочков, М.О. Можаева Морфология поверхности и спектры фотолюминесценции псевдоморфных сверхрешёток {InGaAs/GaAs} на подложках GaAs (100), (110) и (111)A журнал "Микроэлектроника" / "Russian Microelectronics" (год публикации - 2023)

4. Климов Е.А., Клочков А.Н., Пушкарев С.С., Галиев Г.Б., Галиев Р.Р., Юзеева Н.А., Зайцев А., Волковский Ю.А., Серегин А.Ю., Просеков П.А. GaAs Molecular Beam Epitaxy on (110)-Oriented Substrates Crystals, Vol. 13. P. 28. (год публикации - 2023)
10.3390/cryst13010028

5. Климов Е.А., Клочков А.Н., Солянкин П.М., Пушкарев С.С., Галиев Г.Б., Юзеева Н.А., Шкуринов А.П. Terahertz photoconductive antennas based on silicon-doped GaAs (111)A International Journal of Modern Physics B, Vol. 38. P. 2450378 (год публикации - 2024)
10.1142/S0217979224503788

6. Бекалдиев Е.А., Пушкарёв С.С., Климов Е.А., Можаева М.О. Анализ отражающих свойств поверхности эпитаксиальных плёнок на основе GaAs Прикладная физика / Applied Physics, № 4. С. 22-28. (год публикации - 2023)
10.51368/1996-0948-2023-4-22-28

7. Климов Е.А., Пушкарев С.С., Клочков А.Н., Можаева М.О. Surface Morphology and Photoluminescence Spectra of Pseudomorphic {InGaAs/GaAs} Superlattices on GaAs (100), (110), and (111)A Substrates Russian Microelectronics, Vol. 52, No. 3, pp. 129–134 (год публикации - 2023)
10.1134/S106373972370035X

8. Климов Е.А., Пушкарёв С.С., Клочков А.Н. Effect of a Built-in Electric Field on the Photoluminescence Spectra of Elastically Strained InGaAs/GaAs Superlattices on GaAs (110) and (111)A Substrates Nanobiotechnology Reports, Vol. 17. Suppl. Iss. 1. P. S41–S44. (год публикации - 2023)
10.1134/S2635167622070126

9. Климов Е.А., Клочков А.Н., Пушкарёв С.С. Исследование кристаллической структуры эпитаксиальных наногетероструктур с множественными псевдоморфными квантовыми ямами {InхGa1–хAs/GaAs} на подложках GaAs (100), (110) и (111)А Кристаллография / Crystallography Reports, КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. – 2025. – Т. 70. – № 1. – С. 133–140. (год публикации - 2025)
10.31857/S0023476125010184

10. Климов Е.А., Клочков А.Н., Солянкин П.М., Синько А.С., Павлов А.Ю., Лаврухин Д.В., Пушкарёв С.С. Генерация терагерцевого излучения множественными псевдоморфными квантовыми ямами InGaAs/GaAs с ориентацией (100), (110) и (111)А и фотопроводящими антеннами на их основе Квантовая электроника, Том 54, № 1, с. 43-50 (год публикации - 2024)

11. Галиев Г. Б., Васильевский И. С., Виниченко А. Н., Климов Е. А., Клочков А. Н., Пушкарёв С. С., Васильев А. Л., Трунькин И. Н., Солянкин П. М., Шкуринов А. П., Буряков А. М., Билык В. Р., Мишина Е. Д., Китаева Г. Х., Корниенко В. В., Кузнецов К. А., Леонтьев А.А. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (111)А, (411)А-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОДЛОЖЕК ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ЭПИТАКСИАЛЬНОМ РОСТЕ ФОТОПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУР (In,Ga)As, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ТЕРАГЕРЦЕВЫХ ИМПУЛЬСОВ Радиотехника и электроника / Journal of Communications Technology and Electronics (год публикации - 2025)

12. Климов Е.А., Пушкарёв С.С., Клочков А.Н., Ковалёва П.М., Кузнецов К.А. ГЕНЕРАЦИЯ ТГц-ИЗЛУЧЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННЫМИ ПСЕВДОМОРФНЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ {InGaAs/InAlAs} С ОРИЕНТАЦИЯМИ (100) и (111)А Оптика и спектроскопия (год публикации - 2025)

13. Климов Е.А., Клочков А.Н., Солянкин П.М., Синько А.С., Павлов А.Ю., Лаврухин Д.В., Пушкарёв С.С. Generation of THz Radiation by (100), (110), and (111)A-Oriented Multiple Pseudomorphic InGaAs/GaAs Quantum Wells and Photoconductive Antennas Bulletin of the Lebedev Physics Institute, Vol. 51, Suppl. 4, pp. S316–S325 (год публикации - 2024)
10.3103/S1068335624601286

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С помощью высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и спектроскопии фотолюминесценции уточнены реальные составы слоёв эпитаксиальных гетероструктур, выращенных в ходе выполнения 2-го этапа НИР и представляющих собой 25-периодные сверхрешётки {In0.53+ΔxGa0.47–ΔхAs/ In0.52–ΔxAl0.48+ΔxAs} на подложках InP с ориентацией (100) и (111)А. В данной серии образцов мольная доля In в квантовых ямах In0.53+ΔxGa0.47–ΔхAs была постепенно увеличена (а в барьерах In0.52–ΔxAl0.48+ΔxAs – уменьшена). В квантовых ямах на подложках InP (111)A вследствие пьезоэффекта образовались встроенные электрические поля, которые вызвали квантовый эффект Штарка: уменьшение энергии межзонных оптических переходов электронов между уровнями размерного квантования по сравнению с квантовыми ямами на подложках InP (100), в которых пьезоэффект не проявляется. Энергия оптического перехода была измерена с помощью спектроскопии фотолюминесценции, сравнение спектров фотолюминесценции образцов одинакового состава на подложках InP (100) и (111)А позволило выявить штарковский сдвиг. Таким образом, было подтверждено возникновение встроенных полей в (111)А-образцах с напряжённостью от ~ 30 до ~ 70 кВ/см. С помощью эффекта Холла измерены электрофизические параметры этих образцов, темновое удельное сопротивление составляет 0,7–4,9 Ом·см у плёнок на подложках GaAs (100); 8,3–41 Ом·см у плёнок на подложках GaAs (111)А. Результаты эксперимента по генерации ТГц-излучения поверхностью этих образцов при облучении фемтосекундным лазером c длиной волны 1550 нм и длительностью импульса 100 фс показали, что образцы на подложках InP (100) генерируют ТГц-сигнал приблизительно одного уровня (разброс значений амплитуды ТГц-поля – не более 30 % от среднего значения) независимо от упругих напряжений, в то время как в серии (111)А-образцов ТГц-сигнал значительно (примерно на 75–90 %) возрастает для сильно напряжённых образцов. Отличие экспериментально наблюдаемых азимутальных зависимостей ТГц-сигнала вида const + sin φ от зависимостей вида sin 2φ и sin 3φ, характерных для ТГц-генерации по механизмам оптического выпрямления (в том числе – индуцированного электрическим полем), не позволяет однозначно определить механизм генерации, но может свидетельствовать о ТГц-генерации излучения колеблющимся диполем, жестко закрепленным в кристаллической структуре исследуемых полупроводниковых пленок. На основании вышеупомянутых результатов были выбраны образцы с наибольшей эффективностью поверхностной ТГц-генерации (рассогласованная и сильно рассогласованная сверхрешётки, каждая – на подложках разной ориентации), и методом фотолитографии изготовлены планарные фотопроводящие антенны в форме «галстук-бабочка» с шириной зазора 5 и 20 мкм. В зазорах шириной 20 мкм методом электронно-лучевой литографии сформированы плазмонные решётки с шириной пальца/зазора 50/450 нм, периодом 500 нм, толщиной металлизации Ti/Au 50 нм. Кроме того, методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре подложки 200 °С и соотношении потоков As4 и (Ga, In) γ = 30 была выращена гетероструктура со сверхрешёткой {LTG-InAs (4 нм) / LTG-GaAs (6 нм)}×150 на подложке GaAs (100). С помощью атомно-силовой микроскопии на поверхности данной гетероструктуры обнаружен изотропный хаотичный рельеф в виде округлых бугорков с характерным размером 200–300 нм и среднеквадратичной шероховатостью около 18 нм. Электрофизические параметры данного образца, измеренные с помощью эффекта Холла методом Ван дер Пау, следующие: очень низкая подвижность электронов 8 см^2/(В·с), очень большая двумерная концентрация 535·10^12 см^–2, удельное сопротивление 0,21 Ом·см.

Публикации