半导体表面THz产生及磁场增强研究

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　　摘 要：太赫兹辐射技术在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术的发展也将提出重大挑战。本文主要对在半导体表面的太赫兹辐射的产生和磁场增强的太赫兹辐射进行讨论，进一步认识太赫兹技术的发展。
　　关键词：太赫兹;磁场增强;半导体
　　1 绪论
　　太赫兹辐射技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一。太赫兹波是指频率范围为0.1～10.0THz的电磁波，波长范围为0.03～3.00
　　mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点。它的长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，其发主要依靠电子学科学技术;在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。
　　在不断研究的过程中，人们找出了很多种方法来产生太赫兹辐射，研究出能产生窄频带太赫兹波的方法，也研究出能产生宽频带太赫兹波的方法。从上世纪90年代开始，研究者通过使用飞秒脉冲激光照射半导体材料的表面来产生太赫兹电磁辐射，使得这一技术得以发展起来。通过后续10多年在半导体上的太赫兹辐射的产生的发展，人们逐渐发掘出了几种产生太赫兹辐射的方法，比如光整流效应，通过脉冲光和非线性介质的相互作用而产生太赫兹;表面场效应，当使用脉冲激光照射半导体上，脉冲激光会在半导体表面激发出自由载流子，载流子在内建电场的作用下发生运动，并向外辐射出太赫兹波;此外，还有光电流效应等也被应用于太赫兹辐射的产生。因此，利用半导体表面作为太赫兹发射器不仅能产生宽频带的太赫兹电磁辐射，而且在发射器准备过程中无需化学加工或者微制造技术。因此，这种发射器就成为一种具有重要实际意义的太赫兹辐射源。
　　当半导体材料被用作为太赫兹发射源时，也存在一些显著的问题，比如太赫兹辐射的转换效率不是很高，这使得其发展受到很大的阻碍，所以针对这个技术存在的问题，研究人员开始将方向转移至太赫兹辐射增强的方向。根据现如今的研究结果人们发现，可以通过外加磁场对半导体表面的太赫兹辐射进行增强，而且研究人员通过研究磁场对太赫兹辐射的作用的过程中发现，磁场对于太赫兹辐射的影响受到很多因素影响，比如，磁场强度、半导体材料的结果、脉冲激光激发强度等。而本文主要对在半导体表面的太赫兹辐射以及磁场对太赫兹辐射场的增强进行讨论。
　　2 太赫兹产生机制
　　首先我们需要解释的是在半导体表面的太赫兹辐射的产生，通过对使用飞秒激光脉冲激发半导体表面而产生太赫兹电磁波的辐射的物理机制做一简单介绍。这里介绍下目前对于太赫兹的辐射机制，主要包括：光整流效应、光登伯效应、光电流效应等。下面我们对这几种辐射机制逐一介绍。
　　2.1 光整流效应
　　光整流过程是一个二阶非线性过程，当飞秒脉冲激光非线性性质的介质相互作用时，由既有相同频率的两个光子差频得到一个与光强度成正比的直流电场。光整流过程的相位匹配条件是太赫兹波的相速度等于光脉冲的群速度。辐射出的太赫兹电场与泵浦功率是线性依赖关系，这一点经常被用来判断实验上是否发生了光整流的过程。
　　这里总结了关于由于光整流效应而产生的太赫兹辐射的一些特点：
　　（1）光整流效应不仅可以发生在激发光能量小于半导体带隙的情况，也可以发生在高于带隙的情况下;
　　（2）通过光整流效应产生的太赫兹辐射电场不仅存在水平极化部分，也存在竖直极化部分，而通过实验证明，垂直极化部分的太赫兹辐射跟晶体定向无关，水平极化部分的太赫兹辐射跟晶体定向有关。
　　2.2 光登伯效应
　　光登伯效应是当我们使用飞秒脉冲激光照射半导体表面之后，当我们的激发光的光子能量大于半导体的带隙时，此时，半导体中会形成光生自由电子空穴对，由于在一些半导体材料中，电子和空穴的迁移率大不相同，这会导致在半导体的表面附近形成垂直表面的电偶极矩，从而向外辐射出电磁辐射。这个电偶极矩的形成是产生太赫兹辐射的关键。通常在在典型的半导体材料里，电子的迁移率是远远大于空穴的迁移率，因此在脉冲激光照射半导体时，电子整体的扩散速度要比整体的空穴扩散速度快很多。在实验中人们发现，在半导体表面附近的载流子反射或者电荷的捕获会导致电子和空穴整体的电荷中心向偏离半导体表面方向，从而形成垂直于半导体表面的偶极子，进一步偶极子向外辐射出太赫兹波。根据这个原理研究人员制作出了太赫茲波发射器。
　　这里也对光登伯效应的一些机理进行总结如下：
　　（1）通过光登伯效应辐射出的太赫兹辐射脉冲的方向受到半导体的掺杂类型（n型或者p型）的影响;
　　（2）光登伯效应一般发生在窄带隙、电子空穴迁移率差距较大的半导体中。
　　2.3 光电流效应
　　光电流效应一般属于二阶非线性过程，通常在光伏效应和光牵引效应中被引入来描述太赫兹辐射的产生。光电流效应出现在飞秒脉冲激光激发半导体时，其光子能量可以将处于价带的电子成功激发到导带，从而形成自由载流子。其常出现的效应里，比如在光牵引效应中，由于自由载流子形成中也吸收了动量，吸收的动量会使得这些载流子发生运动，从而形成电流，向外辐射出太赫兹波。由于电流的形成跟动量的方向有关，因此在实验中可以翻转半导体材料的正反面，通过太赫兹辐射信号的反转来研究这一效应。
　　以上就是目前主要的在飞秒脉冲激光脉冲激发下，半导体表面产生太赫兹辐射的几种物理机制，后续我们进一步研究关于磁场对太赫兹辐射的增强。我们知道当飞秒脉冲激光照射到半导体表面时，会在半导体内部激发出电子空穴对，在外加电场或者在内部形成内建电场时，电子空穴对会形成垂直于半导体表面的电偶极子，它会辐射出太赫兹辐射。在半导体内部绝大部分太赫兹辐射场是沿与偶极距垂直的平面方向上被辐射出。此外，由于通常用来产生太赫兹电磁辐射的半导体材料的介电常数比较大，结合物理学中的Snell定律，只有特定发射角度内的电磁波能够被传输到半导体外面的空气中，处于发射角外的电磁辐射由于在半导体与空气交界面处发生全反射而被限制在半导体内部，无法耦合到空气中。由于偶极子垂直于半导体表面，只有很小一部分太赫兹波能够进入到这个发射角内，所以，激发出的太赫兹电磁辐射只有非常有限的一小部分能够被传播到空气中被利用。 　　如果对半导体外加一个磁场，那么在洛仑兹力作用下，偶极子会发生偏转，这样就会有更多的太赫兹电磁辐射能够进入到这个发射角内，更多的太赫兹辐射能够被传播到半导体外面的空气中被利用，从而探测到的太赫兹电磁辐射就得到了显著增强。
　　3 磁场增强太赫兹辐射
　　在基于瞬态光生电流产生太赫兹辐射的机制中，尽管利用超快脉冲激励半导体表面的技术实现简单，但是辐射功率仍然不能满足需求。通过理论研究表明外加磁场能影响半导体内部的载流子运动，因此能有效增强太赫兹波的辐射功率，特别是对于具有较小电子有效质量的半导体增强效果更加明显。
　　李丹等人研究了三种不同的半导体材料GaAs、InAs、InSb的太赫兹辐射功率与外加磁场的关系，研究结果表明任何方向的外磁场都明显提高了太赫兹辐射的功率，且功率增强因子、饱和磁场值以及辐射功率提高速度均与材料的有效质量和迁移率相关，同时磁场的方向还与太赫兹辐射的对称性有关。此外，GaAs和InAs太赫兹辐射最强时的最佳外磁场方向是沿y轴负方向，InSb的最佳外磁场方向是与x轴及相反方向成40°夹角的X-Z平面内。
　　C.Weiss等人研究了五个不同半导体表面的磁场增强型太赫兹产生及其相关参数。他们使用一个简单的洛伦兹模型来加速具有线性近似的载波，发现由磁场引起的功率增强与高达1T的磁场的施加磁场的平方成比例，功率增强的缩放因子与有效电子质量成反比。对于InSb获得最大功率增强因子，其具有最小的有效电子质量。由于有效电子质量小，所以InSb的功率增强开始饱和，其磁場强度仅为0.5T。然而，InAs在任何条件下都能获得最高的THz辐射功率。与其他半导体InSb，InP，GaSb和GaAs相比，该材料即使没有磁场增强也产生相当高的太赫兹功率，并且对于高达1.2T的磁场的功率增强没有发现饱和的迹象。
　　两个实验研究都证明了磁场对于半导体材料表面的太赫兹辐射有着增强作用，并且都得出了对于InAs半导体材料其自身不仅能产生高的太赫兹辐射，并且在磁场的增强作用下能够进一步提升其表面的太赫兹辐射场的强度。进一步证明了磁场对于太赫兹辐射的增强有着显著的提升作用。
　　4 总结展望
　　我们讨论了关于半导体表面上太赫兹辐射以及对于磁场增强的太赫兹辐射。首先从理论上对半导体上的太赫兹辐射的机制进行了简单的描述，介绍了现如今主要的太赫兹辐射产生机制，进一步引入磁场对于太赫兹波辐射的增强研究，研究者们的研究结果表面，磁场对于半导体上的太赫兹辐射有着显著的增强作用。通过磁场增强半导体表面的太赫兹辐射，可被用来探测半导体表面的非线性过程，对研究半导体表面载流子的超快载流子动力学过程也有潜在的应用前景。随着高效THz辐射源的不断出现，THz技术在各领域的应用前景将更加光明。
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