i. введение[1]
advertisement
1 Дипольные излучатели и приемники терагерцового излучения на основе GaAs, легированного Cr М.C. Скакунов, С.Ю. Саркисов, О.П. Толбанов Аннотация—В данной статье представлена информация по изготовлению и разработке дипольных антенн на основе высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом. Проведено сравнение рабочих параметров разработанных антенн и уже имеющихся в продаже зарубежных аналогов. Выявлены недостатки исследуемых приборов и определены пути их устранения. Представлены результаты экспериментов по исследованию амплитудновременных характеристик. излучающие и приемные дипольные антенны с рядом необходимых характеристик. К сожалению, следует отметить, что в России подобные приборы в настоящее время не производятся. Ключевые слова—Арсенид галлия, дипольная антенна, излучение, лазер, спектр, спектроскопия. Конструкция и физические основы работы излучающих и приемных дипольных антенн (ИДА, ПДА) принципиально не отличаются. Поэтому, перед тем как перейти к описанию полученных результатов исследований отдельно для разработанных ИДА и ПДА, кратко отметим основные параметры, определяющие их рабочие характеристики. Дипольная антенна представляет собой оптоэлектронный ключ (ключ Астона) [1] и конструктивно состоит из полупроводниковой подложки с нанесенными на неe проводящими дорожками с выступами определенной формы. При оптическом возбуждении контактного зазора между выступами фемтосекундным лазерным импульсом с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника в нем происходит резкое увеличение концентрации неравновесных носителей заряда. Генерированные носители заряда ускоряются приложенным к полоскам внешним напряжением смещения и создают в них быстро изменяющийся ток. При длительностях лазерного импульса, фотоэлектрических параметрах полупроводника и геометрии ИДА, обеспечивающих характерные времена изменения фототока на уровне пикосекунд, данный всплеск фототока будет приводить к излучению широкополосного терагерцового импульса. В случае детектирования напряжение на антенну не подается. Фототок возникает под действием приходящего терагерцового поля и измеряется подключенным к дорожкам антенны синхронным токовым усилителем-измерителем. Носители заряда в ПДА возбуждаются тем же фемтосекундным лазерным импульсом, что и ИДА. Таким образом, характеристики ИДА и I. ВВЕДЕНИЕ1 Электромагнитное излучение в терагерцовом частотном диапазоне (0.1÷5) THz, имеет разнообразное применение в областях спектроскопии и систем безопасности. К тому же, низкоэнергетические фотоны терагерцового излучения успешно используются для обнаружения оружия, наркотиков и взрывоопасных веществ поскольку они легко проходят через непроводящие материалы, такие как бетон, одежда и бумага. Впервые дипольные антенны были предложены в качестве источников терагерцового излучения в 70-х годах [1, 2]. К настоящему времени в научной литературе содержится большой объем результатов по исследованию влияния свойств активной среды и конфигурации дипольных антенн на их рабочие характеристики. Установки импульсной терагерцовой спектроскопии на основе дипольных антенн стали стандартным рабочим инструментом исследовательских лабораторий [3]. Результаты проведенных исследований и имеющийся уровень технологии получения полупроводниковых материалов позволили ряду зарубежных фирм, например, Z-omega (США), Thorlabs (США), Batop (Германия), разработать и сделать коммерческим продуктом Работа получена 6 мая, 2011. Исследования выполнялись в рамках проектов: ФЦП НК -593П ГК П866, АВЦП 2.1.2/12752. М.С. Скакунов (skakunovms@mail.ru), С.Ю. Саркисов, О.П. Толбанов, Томский государственный университет, Томск, ул.Ленина 36. II. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЕ ДИПОЛЬНОГО ТИПА 2 ПДА зависят от параметров активной среды (полупроводника), геометрии контактов, параметров возбуждающего лазерного импульса, приложенного напряжения. Среди параметров полупроводника важнейшими являются удельное сопротивление, время жизни и подвижность неравновесных носителей заряда. Материал должен обладать максимально высоким темновым сопротивлением для обеспечения возможности подачи больших напряжений смещения. Время жизни неравновесных носителей должно быть низким. Это требование связано с необходимостью обеспечения резкого спада фототока после возбуждения. Высокая подвижность носителей заряда способствует большим величинам фототока. Кроме того, в некоторых случаях, высокая подвижность носителей способствует баллистическому транспорту носителей через контактный зазор, т.е. в таких условиях определяет скорость изменения фототока. Также ширина запрещенной зоны полупроводника должна обеспечивать возможность фотовозбуждения используемой длиной волны лазера. Геометрия металлических контактов, нанесенных на поверхность полупроводника, должна обеспечивать наибольшую напряженность поля смещения при отсутствии пробоя материала. Излучатель и приемник возбуждаются одним и тем же лазерным импульсом. Волновая форма сигнала получается после преобразования Фурье временной формы, определенной сканированием с помощью изменения временной задержки между зондирующим и терагерцовым импульсами [3]. Принцип работы генератора и приемника исключают необходимость обработки электрических сигналов на терагерцовых частотах. С ПДА снимается сигнал на частоте модуляции лазерного импульса накачки, которые при каждом значении времени задержки пропорционален напряженности электрического поля терагерцовой волны в данный момент времени t. В качестве материала для изготовления дипольных антенн был выбран полуизолирующий арсенид галлия, легированный хромом SI-GaAs:Cr. Удельное сопротивление готорого не менее 500 МОм·см, подвижность носителей заряда: электронов 4000 см2/В·с, дырок - 270 см2/В·с. Время жизни неравновесных носителей заряда в данном материале составляло порядка 100 пс. Топология контактов для основной части изготовленных и исследованных дипольных антенн показана на рис.1а. Была выбрана прямоугольная форма контактов; длины контактных зазоров составляли 5, 10, 20 и 100 мкм для исследования влияния на параметры генерируемого излучения. Вторым типом изготовленных и исследованных дипольных антенн является устройство, показанное на Рис. 1б. Такая антенна изготовлена для исследования влияния формы контактного зазора возбуждаемой области на спектр генерируемого излучения. В эксперименте такая антенна позволяет быстро провести три цикла измерений при последовательном возбуждении каждого контактного зазора без смены рабочей антенны и перенастройки оптической схемы. a) б) Рис.1. Топология контактов дипольных антенн. В качестве генераторов терагерцового излучения изготовленные дипольные антенны исследовались на установке импульсной терагерцовой спектроскопии (ИТС) на основе фемтосекундного титан-сапфирового лазера Tsunami (λ=797 нм, τ=80 фс). Частота следования лазерных импульсов составляла 80 МГц. Антенна помещалась в оптическую схему, лазерное излучение фокусировалось в контактный зазор с помощью линзы. Сравнение характеристик полученных ИДА проводилось с ИДА фирм Thorlabs и Z-omega (рис.2, рис. 3). Напряжение смещения, подаваемое на каждую антенну, составляло 5 В. Средняя мощность импульсного лазерного излучения составляла 25 мВт. Терагерцовое излучение антенн, не имевших встроенных линз, собиралось линзой установленной после антенны; расстояние выбиралось по максимуму сигнала. Как видно из Рис. 2, спектр излучения антенны фирмы Thorlabs имеет максимум в районе 0,4-0,5 ТГц и достигает 1,5 ТГц в области высоких частот. Наличие кремниевой линзы слабо влияет на спектр излучения, но позволяет увеличить амплитуду регистрируемого сигнала в 5 раз. Спектр излучения SI-GaAs:Cr ИДА с контактным зазором 5 мкм имеет максимум излучения на частоте 0,1 ТГц и заметные амплитуды высокочастотных компонентов до 0,7 ТГц. Времена жизни носителей заряда в данных антеннах составляют 500 фс и 100 пс, соответственно. Временные формы импульсов антенн Thorlabs обладают выраженным главным максимумом ширинами на полувысоте 0,5 пс и 0,7 пс соответственно (Рис.3). По сравнению с исследуемой ИДА, значения амплитуды 3 вторичных пиков, которые можно связать с переотражениями в кристалле, меньше. Наличие линзы позволяет лучше собирать высокочастотные компоненты. одних условиях возбуждения и напряжениях питания было установлено, что антенны с более коротким зазором обеспечивают наилучшую форму спектра генерации. Все антенны имели главный максимум генерации на частоте 0,1 ТГц, III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рис.2. Волновые формы, терагерцового излучения, генерированного изготовленной дипольной антенной на основе SI-GaAs с зазором 5 мкм и антеннами фирм Thorlabs и Z-omega. В результате проделанной работы разработана конструкция дипольных антенн на основе SI-GaAs:Cr, отработана технология их изготовления, а также проведены их испытания в схемах генерации. Установлено, что Величина напряжения смещения не влияет на спектральный состав излучения, но влияет на максимальную амплитуду. Генерируемое терагерцовое излучение имеет широкую диаграмму направленности, что определяет необходимость использования коллимирующих линз. Спектральные характеристики генерируемого и детектируемого широкополосного терагерцового излучения слабо зависят от формы и ширины контактного зазора дипольной антенны, а определяются параметрами полупроводника и длиной антенны. ССЫЛКИ [1] [2] [3] Рис. 3. Амплитудно-временные формы, терагерцового излучения, генерированного изготовленной дипольной антенной на основе SI-GaAs с зазором 5 мкм и антеннами фирм Thorlabs и Z-omega. В случае антенны из SI-GaAs:Cr главный пик имеет ширину 3,7 пс, соответственно генерируемый спектр терагерцового излучения имеет узкий пик в районе 0,1 ТГц. Таким образом, для достижения более высоких терагерцовых частот необходимо обеспечить более быстрое изменение фототока. Полученный спектр излучения антенны Z-omega имеет максимум в районе 30 ГГц. Для получения более широкого спектра в области частот 1-3 ТГц необходимо применение материала с более низким временем жизни. Для этой цели можно использовать LT-GaAs, а также проводить послеростовую обработку SIGaAs, например, его ионную имплантацию или радиационное облучение. При исследовании спектров генерации дипольных антенн с различными длинами контактных зазоров 5, 10, 20 и 100 мкм при Auston D.H., Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon// Appl. Phys. Lett. – 1975. - Vol. 26, № 3. - P.101-103. Mourou G., Stancampiano C.V., Antonetti A., Orszag A., Picosecond microwave pulses generated with a subpicosecond laser-driven semiconductor switch// Appl. Phys. Lett. – 1981. -Vol. 39, №4. - P. 295-296. Han P.Y., Zhang X.-C. Free-space coherent broadband terahertz time-domain spectroscopy// Meas. Sci. Technol. – 2001. – Vol. 12. -№ 11. – P. 1747-1756.
