ИСТИНА

Работа посвящена фундаментальному исследованию методов создания материалов для генерации и детектирования терагерцевого излучения - низкотемпературных наногетероструктур на основе InGaAs (low-temperature InGaAs, LT-InGaAs) и множественных квантовых ям LT-InGaAs/InAlAs. Полупроводники LT-InGaAs и LT-InAlAs представляют собой сильнодефектные материалы с высокой концентрацией точечных дефектов, играющих роль эффективных центров безызлучательной релаксации возбуждённых носителей заряда. Время жизни возбуждённых носителей в LT полупроводниках может быть меньше 0,1 пс. При этом LT-InGaAs обладает высокой подвижностью носителей заряда, низкой темновой проводимостью и прямозонным энергетическим спектром. Благодаря этим свойствам наногетероструктуры на основе LT-InGaAs могут быть использованы для получения ИК-фотоприемников с малым временем фотоотклика, в том числе для регистрации электромагнитных волн с длинами 1,3 мкм и 1,55 мкм, являющимися диапазонами современной оптической связи. Другим перспективным прибором является генератор сверхкоротких электромагнитных импульсов СВЧ, субтерагерцового и терагерцового излучения на основе фотопроводящей антенны из LT-InGaAs, преобразующей лазерное излучение (в виде фемтосекундных импульсов) в колебания электромагнитного поля в диапазоне частот от нескольких сотен ГГц до нескольких ТГц (так называемая «терагерцевая щель»). Методом молекулярно-лучевой эпитаксии при низких температурах роста будут выращены наногетероструктуры на основе LT-InGaAs и множественных квантовых ям LT-InGaAs/InAlAs, согласованных по параметру решётки с подложкой InP. Гетероструктуры будут нелегированными, однородно легированными и дельта-легированными кремнием. При этом будут использованы подложки InP как с сингулярной поверхностью (кристаллографическая плоскость (100)), так и с гораздо реже используемой несингулярной (кристаллографическая плоскость (n11), где n = 1, 2, 3, 4...). Будут исследованы сравнительные спектры терагерцового излучения, генерируемого в эпитаксиальных плёнках LT-InGaAs, при накачке излучением фемтосекундного эрбиевого волоконного лазера (1,55 мкм) в схеме терагерцовой спектроскопии временного разрешения (terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS). Времена жизни фотовозбужденных носителей будут измерены в схеме накачка-зондирование (pump-probe). Кристаллическая структура выращенных образцов будет исследована методами атомно-силовой микроскопии, высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии. На основании полученных данных будут сделаны выводы о том, как ориентация подложки, степень и способы легирования кремнием влияют на кристаллическую структуру наногетероструктур на базе LT-InGaAs, на динамику неравновесных носителей и на эффективность генерации терагерцевых колебаний в них. Будет получен макет фотопроводящей антенны для генерации импульсов микроволнового и терагерцевого излучения и исследованы её свойства.

1) Определенная зависимость интенсивности и спектра электромагнитных волн, генерируемых под действием фемтосекундных лазерных импульсов, от кристаллографической ориентации поверхности подложки InP и характера легирования кремнием в наногетероструктурах на основе LT-InGaAs. 2) Определенная зависимость времени жизни неравновесных носителей в наногетероструктурах на основе LT-InGaAs от кристаллографической ориентации поверхности подложки InP и характера легирования кремнием. 3) Определенная зависимость особенностей кристаллической структуры эпитаксиальных наногетероструктур на основе LT-InGaAs от соотношения потоков элементов V (As) и III (In, Ga) групп, особенностей послеростового отжига, ориентации подложки InP и легирования кремнием. 4) Определенная зависимость обнаруженные особенности кристаллической структуры эпитаксиальных наногетероструктур на основе LT-InGaAs на удельную проводимость, подвижность и концентрацию основных носителей заряда в условиях затемнения образцов. 5) Выявленные оптимальные ростовые условия гетероструктур LT-InGaAs для получения фотопроводящих антенн.

Коллектив обладает необходимым и достаточным опытом и квалификацией для выполнения предлагаемого проекта. Имеется следующий научный задел: в ИСВЧПЭ РАН освоена технология выращивания наногетероструктур AlGaAs/InGaAs и InAlAs/InGaAs для полевых СВЧ-транзисторов методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs (100) и InP (100). Проведены комплексные исследования амфотерного поведения атомов Si как легирующей примеси при росте на таких подложках. Разработана методика выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии плёнок LT-GaAs на подложках GaAs (100) и (111)А при варьируемых технологических условиях роста и исследованы их структурные и фотолюминесцентные свойства. Также была разработана топология антенны для генерации широкополосного ТГц-излучения при импульсном лазерном возбуждении на длине волны 797 нм; на структурах LT-GaAs/GaAs (100) были изготовлены такие антенны и исследованы характеристики излучения. Исследования в области генерации и детектирования терагерцовых волн ведутся группой участников проекта из МГУ им. М.В. Ломоносова с 2004 года. Развита теория нелинейно-оптических процессов преобразования частоты в периодически и апериодически поляризованных кристаллах, приводящих к генерации и детектированию терагерцовых волн под действием импульсной и непрерывной накачки, рассмотрены перспективы использования апериодически поляризованных сред. Предложены и впервые экспериментально реализованы оптические схемы генерации терагерцового излучения методом оптического выпрямления широкополосных лазерных импульсов наносекундной длительности и нелинейно-оптического детектирования, впервые в мире осуществлено квазисинхронное детектирование терагерцовых волн. Сформулирована идея нового метода измерения спектральной яркости терагерцового излучения, основанного на использовании тепловых и квантовых флуктуаций поля в качестве репера при параметрическом преобразовании частоты.