与泵浦波长相关半导体THz辐射动力学研究.pdf

与泵浦波长相关的半导体THz辐射的动力学研究* 刘东峰 何山 秦家银 中山大学电子与通信工程系，光电材料与技术国家重点实验室，广州，510275 摘 要：本文用系综蒙特卡罗(EMC)方法研究了 GaAs 的 THz 辐射特性与泵浦超快激光脉冲中 心波长的关系。研究结果表明 THz 时域波形与泵浦波长有紧密的关系：（1）随着光子能量的 增加，即波长减小，使 THz 时域波形呈双极（bipolar）特性的外加电场也增加，进一步分析 表明 THz 时域波形的双极特性来源于光生载流子的速度过冲；（2）用较长的泵浦波长将电子 激发至导带的中央能谷的谷底有利于 THz 辐射；反之，较短的泵浦波长激发的 THz 辐射相对 较弱。 关键词：THz 辐射, 蒙特卡罗方法, GaAs. 1. 引言 利用飞秒激光技术可在半导体表面或界面得到宽带THz辐射[1,2] ，其频谱从接近直流一直 到数个甚至数十个THz 。与此同时，快速、无接触的电光取样探测方法随后研制成功[3,4] ，从 而使光致半导体THz辐射和检测技术取得了重大进展，其应用研究也正蓬勃开展[5] 。例如，通 过半导体材料的THz辐射光谱，我们能够分析光生载流子在外加电场作用下的瞬态驰豫过程， 这对掌握越来越小型化的高速半导体器件中载流子的输运特性是致关重要的。所以，稳定、 可靠且高强度THz波段的电磁辐射为我们研究材料的光谱性质和测量方面提供了有力的手段， 也为我们开辟了一些崭新的研究方向。大孔径光电导天线 （LA-PC ）是产生强THz辐射最常用 的器件[6] 。按照光生电流的THz辐射机制，THz辐射特性取决于半导体表面的载流子瞬态动力 学过程。作者曾对偏置电场作用下低温生长砷化镓 （LT-GaAs ）的光生电子的动力学过程进行 了研究，发现LT-GaAs所具有的亚皮秒载流子寿命对THz时域波形有重要影响[7] 。GaAs的能隙 为 1.43eV ，低于标准Ti: sapphire 超快激光器输出的光子能量(在 800nm时为 1.55eV)，可以预 见光生载流子的初始剩余能量分布会对载流子在半导体表面的输运、从而对半导体的THz辐射 有重要作用。T. Hattori等人用大于 800nm 的不同中心波长的超短激光脉冲激发GaAs表面，分 析了半导体的THz辐射与泵浦波长的依赖关系[8] 。其结果表明在此范围的不同激发波长下THz 时域波形有所变化，但并没有本质的不同，这样的结果实际上是可以预见的，因为在他们的 实验条件下，光生热载流子基本上局限在导带的中心能谷，通过发射带内声子驰豫到谷底。 此时，光生热载流子没有足够的能量发生更为复杂的带间跃迁，从而引起热载流子输运的较 为强烈的波动，因此辐射出的THz波形及强度并没有实质的不同。所以有必要对较大范围的泵 浦波长激发THz辐射作进一步的研究，揭示其动力学过程，以起到优化实验的目的。 以上分析说明，半导体的 THz 辐射与光生载流子的瞬态输运紧密相关，包含了载流子隧 穿、加速、屏蔽以及散射等复杂的动力学过程，这些极其复杂的瞬态过程很难直接通过电磁 * 教育部 “高等学校博士学科点专项科研基金”项目 （20020558037）和广东省自然科学基金项目 资助。 -1- 理论建立严格的数学模型进行精确求解而揭示其动力学过程。Monte Carlo 模拟方法以随机数 的选取为基础，通过随机试验，对 自身具有统计特性的系统和非常复杂的物理过程进行直接 的模拟，对亚皮秒时间尺度的光生载流子和场动力学进行较为深入的描绘时，系综蒙特卡罗 模拟方法是比较理想的研究手段。本文用系综蒙特卡罗方法研究 GaAs 的 THz 辐射与较大范 围的泵浦波长 （600nm～850nm ）的依赖关系，以便在相应的实验中在波长的选择上做到最优 化。所采用的计算软件在文献[9]中做了较为详细的介绍。 2. 计算模型和模拟方法 在模拟过程中，假设照射到半导体样品 GaAs 表面的超短脉冲激光的半高宽(FWHM)都为 100fs。 当模拟碰撞和自由飞行时，每个载流子看成是一个真实的粒子