GaAs光生载流子动力学机制的超快光谱学研究

【摘要】：以泵浦-探测技术为基础的超快光谱学研究是通过两束光在空间位置的相对延迟来实现时间上的高分辨,是目前探索超快现象或机理研究的一种相对简单但非常有效可靠的实用技术。本论文就是利用飞秒级的泵浦-探测技术来探测砷化镓(GaAs)的时间差分反射谱变化,并通过建立理论模型,进一步分析光生载流子动力学机制。主要内容包括:(1)概述了超短脉冲激光、超快光谱学的发展与应用以及砷化镓材料的晶体结构和性质,列举了几种典型的超快光谱学技术。以GaAs的晶体结构和光学性质为基础,总结了其在载流子动力学方面的研究现状。(2)概述了半导体载流子动力学相关理论知识。以半导体和光生载流子为基础,我们分段描述了半导体动力学过程。(3)搭建了泵浦-探测实验平台。考虑到最大化利用空间,结合飞秒激光器体系,我们在超净实验室搭建了泵浦-探测反射、透射系统。根据样品中泵浦光与探测光共线的条件,每种系统又分为两个类型:共线和非共线。(4)建立了差分反射率和功率的模型。我们提出了饱和载流子浓度Ns的概念,并以拟合的实验曲线和理论模型为基础推算出未故意掺杂高纯n型GaAs的饱和载流子浓度:Ns=(3.5901 ±0.3103)×1017cm-3。(5)分析了时间分辨差分反射谱。通过改变光学参数,如中心波长、功率、带宽,分别对未故意掺杂高纯n型GaAs的差分反射谱进行研究,讨论光学参数分别与差分反射率峰值、信噪比的相关性。进一步,把光生载流子动力学分为4个阶段:804±67 fs的光激发过程、134 fs～268 fs的初始散射过程、τ1=1 ps的快复合过程和τ2=3 ps～6 ps的慢复合过程。