半導體表面THz產(chǎn)生及磁場增強研究

南思潤

摘?要：太赫茲輻射技術(shù)在半導體材料、高溫超導材料的性質(zhì)研究、斷層成像技術(shù)、無標記的基因檢查、細胞水平的成像、化學和生物的檢查，以及寬帶通信、微波定向等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段的輻射源不僅將推動理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學和電路技術(shù)的發(fā)展也將提出重大挑戰(zhàn)。本文主要對在半導體表面的太赫茲輻射的產(chǎn)生和磁場增強的太赫茲輻射進行討論，進一步認識太赫茲技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：太赫茲;磁場增強;半導體

1 緒論

太赫茲輻射技術(shù)由于其一系列的優(yōu)點及其廣泛的應(yīng)用價值成為世界各國研究機構(gòu)關(guān)注的焦點，太赫茲技術(shù)也成為本世紀重大新興科學技術(shù)領(lǐng)域之一。太赫茲波是指頻率范圍為0.1～10.0THz的電磁波，波長范圍為0.03～3.00

mm，介于微波頻段與紅外之間，兼具二者的優(yōu)點。它的長波段與毫米波（亞毫米波）相重合，其發(fā)主要依靠電子學科學技術(shù);在短波段與紅外線相重合，主要依靠光子學科技術(shù)發(fā)展，可見太赫茲波是宏觀電子學向微觀電子學過渡的頻段，在電子波頻譜中占有很特殊的位置，表現(xiàn)出一系列不同于其他電磁輻射的特殊性能。

在不斷研究的過程中，人們找出了很多種方法來產(chǎn)生太赫茲輻射，研究出能產(chǎn)生窄頻帶太赫茲波的方法，也研究出能產(chǎn)生寬頻帶太赫茲波的方法。從上世紀90年代開始，研究者通過使用飛秒脈沖激光照射半導體材料的表面來產(chǎn)生太赫茲電磁輻射，使得這一技術(shù)得以發(fā)展起來。通過后續(xù)10多年在半導體上的太赫茲輻射的產(chǎn)生的發(fā)展，人們逐漸發(fā)掘出了幾種產(chǎn)生太赫茲輻射的方法，比如光整流效應(yīng)，通過脈沖光和非線性介質(zhì)的相互作用而產(chǎn)生太赫茲;表面場效應(yīng)，當使用脈沖激光照射半導體上，脈沖激光會在半導體表面激發(fā)出自由載流子，載流子在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生運動，并向外輻射出太赫茲波;此外，還有光電流效應(yīng)等也被應(yīng)用于太赫茲輻射的產(chǎn)生。因此，利用半導體表面作為太赫茲發(fā)射器不僅能產(chǎn)生寬頻帶的太赫茲電磁輻射，而且在發(fā)射器準備過程中無需化學加工或者微制造技術(shù)。因此，這種發(fā)射器就成為一種具有重要實際意義的太赫茲輻射源。

當半導體材料被用作為太赫茲發(fā)射源時，也存在一些顯著的問題，比如太赫茲輻射的轉(zhuǎn)換效率不是很高，這使得其發(fā)展受到很大的阻礙，所以針對這個技術(shù)存在的問題，研究人員開始將方向轉(zhuǎn)移至太赫茲輻射增強的方向。根據(jù)現(xiàn)如今的研究結(jié)果人們發(fā)現(xiàn)，可以通過外加磁場對半導體表面的太赫茲輻射進行增強，而且研究人員通過研究磁場對太赫茲輻射的作用的過程中發(fā)現(xiàn)，磁場對于太赫茲輻射的影響受到很多因素影響，比如，磁場強度、半導體材料的結(jié)果、脈沖激光激發(fā)強度等。而本文主要對在半導體表面的太赫茲輻射以及磁場對太赫茲輻射場的增強進行討論。

2 太赫茲產(chǎn)生機制

首先我們需要解釋的是在半導體表面的太赫茲輻射的產(chǎn)生，通過對使用飛秒激光脈沖激發(fā)半導體表面而產(chǎn)生太赫茲電磁波的輻射的物理機制做一簡單介紹。這里介紹下目前對于太赫茲的輻射機制，主要包括：光整流效應(yīng)、光登伯效應(yīng)、光電流效應(yīng)等。下面我們對這幾種輻射機制逐一介紹。

2.1 光整流效應(yīng)

光整流過程是一個二階非線性過程，當飛秒脈沖激光非線性性質(zhì)的介質(zhì)相互作用時，由既有相同頻率的兩個光子差頻得到一個與光強度成正比的直流電場。光整流過程的相位匹配條件是太赫茲波的相速度等于光脈沖的群速度。輻射出的太赫茲電場與泵浦功率是線性依賴關(guān)系，這一點經(jīng)常被用來判斷實驗上是否發(fā)生了光整流的過程。

這里總結(jié)了關(guān)于由于光整流效應(yīng)而產(chǎn)生的太赫茲輻射的一些特點：

（1）光整流效應(yīng)不僅可以發(fā)生在激發(fā)光能量小于半導體帶隙的情況，也可以發(fā)生在高于帶隙的情況下;

（2）通過光整流效應(yīng)產(chǎn)生的太赫茲輻射電場不僅存在水平極化部分，也存在豎直極化部分，而通過實驗證明，垂直極化部分的太赫茲輻射跟晶體定向無關(guān)，水平極化部分的太赫茲輻射跟晶體定向有關(guān)。

2.2 光登伯效應(yīng)

光登伯效應(yīng)是當我們使用飛秒脈沖激光照射半導體表面之后，當我們的激發(fā)光的光子能量大于半導體的帶隙時，此時，半導體中會形成光生自由電子空穴對，由于在一些半導體材料中，電子和空穴的遷移率大不相同，這會導致在半導體的表面附近形成垂直表面的電偶極矩，從而向外輻射出電磁輻射。這個電偶極矩的形成是產(chǎn)生太赫茲輻射的關(guān)鍵。通常在在典型的半導體材料里，電子的遷移率是遠遠大于空穴的遷移率，因此在脈沖激光照射半導體時，電子整體的擴散速度要比整體的空穴擴散速度快很多。在實驗中人們發(fā)現(xiàn)，在半導體表面附近的載流子反射或者電荷的捕獲會導致電子和空穴整體的電荷中心向偏離半導體表面方向，從而形成垂直于半導體表面的偶極子，進一步偶極子向外輻射出太赫茲波。根據(jù)這個原理研究人員制作出了太赫茲波發(fā)射器。

這里也對光登伯效應(yīng)的一些機理進行總結(jié)如下：

（1）通過光登伯效應(yīng)輻射出的太赫茲輻射脈沖的方向受到半導體的摻雜類型（n型或者p型）的影響;

（2）光登伯效應(yīng)一般發(fā)生在窄帶隙、電子空穴遷移率差距較大的半導體中。

2.3 光電流效應(yīng)

光電流效應(yīng)一般屬于二階非線性過程，通常在光伏效應(yīng)和光牽引效應(yīng)中被引入來描述太赫茲輻射的產(chǎn)生。光電流效應(yīng)出現(xiàn)在飛秒脈沖激光激發(fā)半導體時，其光子能量可以將處于價帶的電子成功激發(fā)到導帶，從而形成自由載流子。其常出現(xiàn)的效應(yīng)里，比如在光牽引效應(yīng)中，由于自由載流子形成中也吸收了動量，吸收的動量會使得這些載流子發(fā)生運動，從而形成電流，向外輻射出太赫茲波。由于電流的形成跟動量的方向有關(guān)，因此在實驗中可以翻轉(zhuǎn)半導體材料的正反面，通過太赫茲輻射信號的反轉(zhuǎn)來研究這一效應(yīng)。

以上就是目前主要的在飛秒脈沖激光脈沖激發(fā)下，半導體表面產(chǎn)生太赫茲輻射的幾種物理機制，后續(xù)我們進一步研究關(guān)于磁場對太赫茲輻射的增強。我們知道當飛秒脈沖激光照射到半導體表面時，會在半導體內(nèi)部激發(fā)出電子空穴對，在外加電場或者在內(nèi)部形成內(nèi)建電場時，電子空穴對會形成垂直于半導體表面的電偶極子，它會輻射出太赫茲輻射。在半導體內(nèi)部絕大部分太赫茲輻射場是沿與偶極距垂直的平面方向上被輻射出。此外，由于通常用來產(chǎn)生太赫茲電磁輻射的半導體材料的介電常數(shù)比較大，結(jié)合物理學中的Snell定律，只有特定發(fā)射角度內(nèi)的電磁波能夠被傳輸?shù)桨雽w外面的空氣中，處于發(fā)射角外的電磁輻射由于在半導體與空氣交界面處發(fā)生全反射而被限制在半導體內(nèi)部，無法耦合到空氣中。由于偶極子垂直于半導體表面，只有很小一部分太赫茲波能夠進入到這個發(fā)射角內(nèi)，所以，激發(fā)出的太赫茲電磁輻射只有非常有限的一小部分能夠被傳播到空氣中被利用。

如果對半導體外加一個磁場，那么在洛侖茲力作用下，偶極子會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣就會有更多的太赫茲電磁輻射能夠進入到這個發(fā)射角內(nèi)，更多的太赫茲輻射能夠被傳播到半導體外面的空氣中被利用，從而探測到的太赫茲電磁輻射就得到了顯著增強。

3 磁場增強太赫茲輻射

在基于瞬態(tài)光生電流產(chǎn)生太赫茲輻射的機制中，盡管利用超快脈沖激勵半導體表面的技術(shù)實現(xiàn)簡單，但是輻射功率仍然不能滿足需求。通過理論研究表明外加磁場能影響半導體內(nèi)部的載流子運動，因此能有效增強太赫茲波的輻射功率，特別是對于具有較小電子有效質(zhì)量的半導體增強效果更加明顯。

李丹等人研究了三種不同的半導體材料GaAs、InAs、InSb的太赫茲輻射功率與外加磁場的關(guān)系，研究結(jié)果表明任何方向的外磁場都明顯提高了太赫茲輻射的功率，且功率增強因子、飽和磁場值以及輻射功率提高速度均與材料的有效質(zhì)量和遷移率相關(guān)，同時磁場的方向還與太赫茲輻射的對稱性有關(guān)。此外，GaAs和InAs太赫茲輻射最強時的最佳外磁場方向是沿y軸負方向，InSb的最佳外磁場方向是與x軸及相反方向成40°夾角的X-Z平面內(nèi)。

C.Weiss等人研究了五個不同半導體表面的磁場增強型太赫茲產(chǎn)生及其相關(guān)參數(shù)。他們使用一個簡單的洛倫茲模型來加速具有線性近似的載波，發(fā)現(xiàn)由磁場引起的功率增強與高達1T的磁場的施加磁場的平方成比例，功率增強的縮放因子與有效電子質(zhì)量成反比。對于InSb獲得最大功率增強因子，其具有最小的有效電子質(zhì)量。由于有效電子質(zhì)量小，所以InSb的功率增強開始飽和，其磁場強度僅為0.5T。然而，InAs在任何條件下都能獲得最高的THz輻射功率。與其他半導體InSb，InP，GaSb和GaAs相比，該材料即使沒有磁場增強也產(chǎn)生相當高的太赫茲功率，并且對于高達1.2T的磁場的功率增強沒有發(fā)現(xiàn)飽和的跡象。

兩個實驗研究都證明了磁場對于半導體材料表面的太赫茲輻射有著增強作用，并且都得出了對于InAs半導體材料其自身不僅能產(chǎn)生高的太赫茲輻射，并且在磁場的增強作用下能夠進一步提升其表面的太赫茲輻射場的強度。進一步證明了磁場對于太赫茲輻射的增強有著顯著的提升作用。

4 總結(jié)展望

我們討論了關(guān)于半導體表面上太赫茲輻射以及對于磁場增強的太赫茲輻射。首先從理論上對半導體上的太赫茲輻射的機制進行了簡單的描述，介紹了現(xiàn)如今主要的太赫茲輻射產(chǎn)生機制，進一步引入磁場對于太赫茲波輻射的增強研究，研究者們的研究結(jié)果表面，磁場對于半導體上的太赫茲輻射有著顯著的增強作用。通過磁場增強半導體表面的太赫茲輻射，可被用來探測半導體表面的非線性過程，對研究半導體表面載流子的超快載流子動力學過程也有潛在的應(yīng)用前景。隨著高效THz輻射源的不斷出現(xiàn)，THz技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加光明。

參考文獻：

[1]耿莉，謝亞楠，原媛.一種工作于太赫茲頻段的石墨烯天線[J].激光與紅外，2017，47（7）：879-883.

[2]施衛(wèi)，張顯斌，賈婉麗，等.用飛秒激光觸發(fā)GaAs光電導體產(chǎn)生THz電磁波的研究[J].半導體學報，2004，25（12）：1735-1738.

[3]韓小衛(wèi).利用THz光譜技術(shù)研究GaAs光電特性和載流子超快動力學[D].西安理工大學，2017.

[4]耿莉，謝亞楠，原媛.一種工作于太赫茲頻段的石墨烯天線[J].激光與紅外.

[5]王琦.硅、鍺材料的電光效應(yīng)和光整流效應(yīng)的研究[D].吉林大學，2017.

[6]梁達川，王鍇.太赫茲時域頻譜技術(shù)研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2017，32（4）：1-7.

[7]馬海江.太赫茲電磁輻射增強特性的理論研究[D].浙江大學，2006.

[8]李丹，羅春婭，吉紫娟，等.外磁場對飛秒激光激勵半導體材料的太赫茲輻射的影響[J].應(yīng)用激光，2017（5）：715-721.

[9]Weiss C，Wallenstein R，Beigang R.Magnetic-field-enhanced generation of terahertz radiation in semiconductor surfaces[J].Applied Physics Letters，2000，77（25）：4160-4162.