ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 9 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Фотопроводящие терагерцевые антенны на основе GaN {LT-InxGa1-xN/GaN}

Е.Р. Бурмистров1,2, Л.П. Авакянц1, Н.А. Парфентьева2, С.Н. Гаврилин2

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия
2 Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.9.6 УДК 538.9 EDN YDKPBK

Аннотация

Предложена многослойная структура на основе низкотемпературного нитрида галлия (LT-GaN), выращенного на сапфировой подложке Al2O3с кристаллографическим направлением (0001), для создания фотопроводящих антенн терагерцевого диапазона. Активная область исследуемых структур включает в себя 10 периодов InxGa1-xN/GaN с мольной долей индия в фотопроводящем слое 0.32. Показано, что при мощности лазерного возбуждения 57 мВт и напряжении смещения 15 В фотопроводящая антенна на основе LT-InxGa1-xN/GaN генерирует терагерцевые импульсы со средней выходной мощностью 4.5 мкВт. Частота повторения импульсов Ti:сапфирового лазера 60 МГц. Получены временные формы терагерцевых импульсов и соответствующие им частотные спектры фурье амплитуд, характеризующие излучение антенн на основе LT-GaN.

  • фотопроводящие антенны
  • нитрид галлия
  • терагерцевое излучение
  • оптическая накачка
  • временные формы
Abstract (in English)

Photoconductive terahertz antennas based on GAN {LT-INXGA1-XN/GAN}

A material in the form of a multilayer structure based on LT-GaN grown on Al2O3 sapphire substrates with a crystallographic direction (0001) is proposed for the manufacture of terahertz photoconductive antennas. The structures contain active layers of InxGa1-xN/GaN. The mole fraction In in the InxGa1-xN quantum well region is chosen to be 0.42. At an optical pumping power of 57 MW and a bias voltage of 15 V, a photoconductive antenna on an optimized {LT-InxGa1-xN/GaN} structure emits terahertz pulses with an average power of 4.5 µW at a laser pulse repetition rate of 60 MHz. Time profiles and frequency spectra of Fourier amplitudes of terahertz pulses generated using LT-GaN-based antennas have been obtained.

Для цитирования

Бурмистров Е.Р., Авакянц Л.П., Парфентьева Н.А., Гаврилин С.Н. Фотопроводящие терагерцевые антенны на основе GaN {LT-InxGa1-xN/GaN} // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.9.6

Литература

  1. Yeritsyan H. N. et al. In-Situ Study of Non-Equilibrium Charge Carriers' Behavior under Ultra-Short Pulsed Electrons Irradiation in Silicon Crystal //Journal of Modern Physics. - 2019. - Т. 10. - №. 9. - С. 1125-1133. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/27/273001
  2. Burford N. M., El-Shenawee M. O. Review of terahertz photoconductive antenna technology //Optical Engineering. - 2017. - Т. 56. - №. 1. - С. 010901-010901. https://doi.org/10.1117/1.OE.56.1.010901
  3. Pashnev D. et al. Investigation of two-dimensional plasmons in grating-gated AlGaN/GaN heterostructures with terahertz time domain spectrometer //2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - IEEE, 2020. - С. 1-1. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370916
  4. Yang S. H. et al. 7.5% optical-to-terahertz conversion efficiency offered by photoconductive emitters with three-dimensional plasmonic contact electrodes //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2014. - Т. 4. - №. 5. - С. 575-581. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2014.2342505
  5. Castro-Camus E., Alfaro M. Photoconductive devices for terahertz pulsed spectroscopy: a review //Photonics Research. - 2016. - Т. 4. - №. 3. - С. A36-A42. https://doi.org/10.1364/PRJ.4.000A36
  6. Kuznetsov K. et al. Improved InGaAs and InGaAs/InAlAs photoconductive antennas based on (111)-oriented substrates //Electronics. - 2020. - Т. 9. - №. 3. - С. 495. https://doi.org/10.3390/electronics9030495
  7. Frankel M. Y. et al. High-voltage picosecond photoconductor switch based on low-temperature-grown GaAs //IEEE transactions on electron devices. - 2002. - Т. 37. - №. 12. - С. 2493-2498. https://doi.org/10.1109/16.64523
  8. Valdmanis J., Mourou G., Gabel C. Subpicosecond electrical sampling //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1983. - Т. 19. - №. 4. - С. 664-667. https://doi.org/10.1117/12.966086
  9. Liu X. et al. All-fiber femtosecond Cherenkov radiation source //Optics letters. - 2012. - Т. 37. - №. 13. - С. 2769-2771. https://doi.org/10.1364/OL.37.002769
  10. Zeng L. et al. Characteristics comparison of SiC and GaN extrinsic vertical photoconductive switches //IEEE Journal of the Electron Devices Society. - 2024. https://doi.org/10.1109/JEDS.2024.3372596
  11. Xu G. et al. Investigation of terahertz generation due to unidirectional diffusion of carriers in centrosymmetric GaTe crystals //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2010. - Т. 17. - №. 1. - С. 30-37. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2010.2046628
  12. Saleem M. F. et al. Factors Affecting Terahertz Emission from InGaN Quantum Wells under Ultrafast Excitation //International Journal of Optics. - 2023. - Т. 2023. - №. 1. - С. 5619799. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.02398
  13. Greene B. I. et al. Picosecond pump and probe spectroscopy utilizing freely propagating terahertz radiation //Optics letters. - 1991. - Т. 16. - №. 1. - С. 48-49. https://doi.org/10.1364/OL.16.000048
  14. Wang Z. et al. Non-destructive evaluation of thermally grown oxides in thermal barrier coatings using impedance spectroscopy //Journal of the European Ceramic Society. - 2019. - Т. 39. - №. 15. - С. 5048-5058. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.06.053
  15. Yoneda H. et al. High-power terahertz radiation emitter with a diamond photoconductive switch array //Applied Optics. - 2001. - Т. 40. - №. 36. - С. 6733-6736. https://doi.org/10.1364/AO.40.006733
  16. Chizhov P. A. et al. Photoconductive terahertz generation in nitrogen-doped single-crystal diamond //Optics Letters. - 2021. - Т. 47. - №. 1. - С. 86-89. https://doi.org/10.1364/OL.446750
  17. Burmistrov E. R., Avakyants L. P. Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) of LED Heterostructures with Three and Five In x Ga1-x N/GaN Quantum Wells //Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 2023. - Т. 136. - №. 5. - С. 593-604. https://doi.org/10.1134/S1063776123050072
  18. Eljarrat A. et al. Quantitative parameters for the examination of InGaN QW multilayers by low-loss EELS //Physical Chemistry Chemical Physics. - 2016. - Т. 18. - №. 33. - С. 23264-23276. https://doi.org/10.1039/C6CP04493J
  19. O'leary S. K. et al. Steady-state and transient electron transport within the III-V nitride semiconductors, GaN, AlN, and InN: a review //Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2006. - Т. 17. - С. 87-126. https://doi.org/10.1007/s10854-006-5624-2
  20. Пономарев Д. С. и др. Электрические и тепловые свойства фотопроводящих антенн на основе InxGa1-xAs (x> 0.3) с метаморфным буферным слоем для генерации терагерцового излучения //Физика и техника полупроводников. - 2017. - Т. 51. - №. 9. - С. 1267-1272. http://doi.org/10.21883/FTP.2017.09.44893.8508