移动光热镜法热电子效应解耦表征半导体热性能 (SI GaAs)*
1. 概述
超带隙能量光子与半导体材料之间的相互作用除了涉及热波外，还涉及等离子体波，从而产生强烈的热电子耦合效应。在本工作中，提出了一种有效的移动光热镜法来解耦热电子效应，以表征半绝缘GaAs晶片的热性能作为演示。
提出了一个理论模型，用于描述样品中热波和等离子体波的动力学过程，以及在等速激光束激励下样品与周围流体之间的热耦合。基于扩散方程的解，我们获得了由于样品的热弹性和电子应变响应以及流体的折射率梯度而引入到与光热信号相关的另一个探测光束的相移。
理论和实验结果表明，激光-材料相互作用中的稳态过程使电子效应在光热信号中充当不敏感的恒定背景，热力学过程由样品的热性质决定。移动光热信号不受电子输运参数变化的影响的独特优势允许从最适合的信号准确地确定样品的热扩散率，并且该方法的行进激发性质为高效光热成像提供了一种识别热缺陷的方法。
2. 样品制备
本研究中，用于验证该方法的样品是VGF生长的半绝缘GaAs晶片（来自中芯晶研）。
移动光热镜法的示意图，如图1所示。简言之，激发激光束（Coherent，VerdiV10532nm，TEM00，CW）由物镜聚焦到腰半径约为we=10μm。将厚度为450μm、直径为3英寸的半绝缘GaAs晶片样品放置在其焦平面上。由于样品是一个薄圆盘，因此可以通过用旋转台绕z轴旋转样品并同时用线性台径向移动样品来容易地实现二维扫描。在与激发光束共同的路径中传播的另一个弱光束（相干，实验室激光，635nm，TEM00，CW）以wp=30μm的光束半径探测样品表面的局部激发位点。从样品表面反射的探针光束的波前被衍射，其强度由放置在远场检测平面zd=-500mm的针孔（200um）雪崩光电探测器（Thorlabs，APD430A2/M）组件监测。激励光束和探针光束的行进轨迹如图1的插图所示。
图1 移动光热镜法示意图（右下角的插图：激发点和探测点相对于半绝缘GaAs晶片的行进轨迹）
3. 结论
本工作演示了一种移动光热镜法来解耦半导体中的热电效应。理论结果表明，行进激光束在样品表面上的激发分别为热和电子贡献提供了具有瞬态和稳态周期的时间分辨光热信号，从而可以识别光生载流子相对于温度的超短瞬态周期（~3ms）的超短瞬态期（~3ns），指示热效应和电子效应的时间分离。此外，由于局部动态热平衡，稳态下的行进激发在样品和周围流体的深处提供了强大的热效应和稳定的温度场，而光生载流子的扩散深度在激发点附近只有几微米。因此，在振幅和空间分布上，热效应主导光热信号而非电子效应。实验结果证实，样品热扩散率的微小变化会导致光热信号的显著偏差，而电子输运参数τ和V0变化了几个数量级，对光热信号的影响不大。
因此，该方法的独特优势表明，它是通过与光热信号的最佳拟合来准确确定半导体热性质的有效工具，并且行进激发特性允许高效光热成像来识别热缺陷。
更多GaAs晶片信息或疑问，请邮件咨询：vp@honestgroup.cn