Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

STUDY OF SURFACE ELECTRIC FIELD AND PHOTOCARRIER DYNAMICS IN InAs BY MEANS OF A MODIFIED DOUBLE-PUMP-PULSE TERAHERTZ EMISSION METHOD
Ieva Beleckaitė^a, Lukas Burakauskas^b, and Ramūnas Adomavičius^a
^aCenter for Physical Sciences and Technology, Saulėtekio 3, 10257 Vilnius, Lithuania
^bDepartment of Physics, University of Oxford, Parks Rd, Oxford OX1 3PU, UK
E-mail: ieva.beleckaite@ftmc.lt

Received 31 January 2018; accepted 22 March 2018

In this study we report the investigation of terahertz (THz) emission efficiency dynamics in p-type InAs using a double-pump-pulse (DPP) THz emission method. We also suggest a novel modification of the standard DPP method which allows us to measure the indirectly modulated THz pulse. The obtained results reveal that the first optical pulse increases the free carrier concentration and enhances the surface electric field. This field prevents perpendicular but improves parallel to the surface electric dipole formation after sample excitation with the second optical pulse. Our suggested method is shown to be a more precise and sensitive way to study electric fields and photocarrier dynamics in semiconductors after photoexcitation.

Keywords: photo-Dember effect, THz emission from semiconductors, InAs
PACS: 07.57.Hm, 78.47.D-, 78.47.J-

InAs PAVIRŠIAUS ELEKTRINIO LAUKO IR KRŪVININKŲ DINAMIKOS TYRIMAS MODIFIKUOTA DVIGUBO IMPULSINIO ŽADINIMO TERAHERCINĖS EMISIJOS METODIKA
Ieva Beleckaitė^a, Lukas Burakauskas^b, Ramūnas Adomavičius^a

^aFizinių ir technologijos mokslų centras, Vilnius, Lietuva
^bOksfordo universiteto Fizikos departamentas, Oksfordas, Jungtinė Karalystė

Atlikome išsamią dvigubo žadinimo terahercinės emisijos metodo analizę, atskleidėme metodo trūkumus ir pasiūlėme, kaip patobulinti matavimo procedūrą. Taikant patobulintą metodiką ištirta terahercinės spinduliuotės generavimo dinamika p tipo InAs padėkle. Eksperimento metu registruotas terahercinis impulsas tiesiogiai atspindėjo pirmojo optinio impulso nulemtus pokyčius puslaidininkio paviršiuje. Prieita prie išvados, kad pirmąsias kelias pikosekundes po sužadinimo terahercinės spinduliuotės generavimo sąlygos labiausiai keičiasi dėl foto-Demberio efekto, o vėliau svarbesnis tampa ekranavimas šviesa sužadintais laisvaisiais krūvininkais. Eksperimento rezultatai parodė, kad terahercinės spinduliuotės generavimo dinamika labai priklauso nuo žadinančios šviesos poliarizacijos. Šis rezultatas paaiškinamas skirtinga elektrinio lauko pokyčių įtaka terahercinius impulsus spinduliuojančių elektrinių dipolių formavimuisi. InAs padėklo sužadinimas pirmuoju impulsu dėl foto-Demberio efekto sustiprina jo paviršinį elektrinį lauką. Šis laukas trukdo vėliau sužadintiems krūvininkams formuoti statmeną, bet padeda sudaryti lygiagretų paviršiui dipolį. Laisvieji krūvininkai ekranuoja bet kokio tipo dipolius, tačiau jų poveikis pasireiškia po kelių pikosekundžių, įvykus elektronų energijos relaksacijai.

References / Nuorodos

[1] D.H. Auston, K.P. Cheung, and P.R. Smith, Picosecond photoconducting Hertzian dipoles, Appl. Phys. Lett. 45(3), 284 (1984),
https://doi.org/10.1063/1.95174
[2] P.R. Smith, D.H. Auston, and M.C. Nuss, Subpicosecond photoconducting dipole antennas, IEEE J. Quantum Electron. 24(1), 255 (1988),
https://doi.org/10.1109/3.121
[3] M. Tonouchi, N. Kawasaki, T. Yoshimura, H. Wald, and P. Seidel, Pump and probe terahertz generation study of ultrafast carrier dynamics in low-temperature grown-GaAs, Jpn. J. Appl. Phys. 41(6B), L706 (2002),
https://doi.org/10.1143/jjap.41.l706
[4] K.J. Siebert, A. Lisauskas, T. Löffler, and H.G. Roskos, Field screening in low-temperature-grown GaAs photoconductive antennas, Jpn. J. Appl. Phys. 43(3), 1038 (2004),
https://doi.org/10.1143/jjap.43.1038
[5] G.C. Loata, T. Löffler, and H.G. Roskos, Evidence for long-living charge carriers in electrically biased low-temperature-grown GaAs photoconductive switches, Appl. Phys. Lett. 90(5), 052101 (2007),
https://doi.org/10.1063/1.2436719
[6] G.C. Loata, M.D. Thomson, T. Löffler, and H.G. Roskos, Radiation field screening in photoconductive antennae studied via pulsed terahertz emission spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 91(23), 232506 (2007),
https://doi.org/10.1063/1.2823590
[7] H. Murakami, S. Fujiwara, I. Kawayama, and M. Tonouchi, Study of photoexcited-carrier dynamics in GaAs photoconductive switches using dynamic terahertz emission microscopy, Photon. Res. 4(3), A9 (2016),
https://doi.org/10.1364/prj.4.0000a9
[8] V.K. Mag-usara, S. Funkner, G. Niehues, E.A. Prieto, M.H. Balgos, A. Somintac, E. Estacio, A. Salvador, K. Yamamoto, M. Hase, and M. Tani, Low temperature-grown GaAs carrier lifetime evaluation by double optical pump terahertz time-domain emission spectroscopy, Opt. Express 24(23), 26175 (2016),
https://doi.org/10.1364/oe.24.026175
[9] R. Adomavičius, A. Krotkus, J. Kois, S. Bereznev, and E. Mellikov, Terahertz radiation from nonstoichiometric CuInSe₂ films excited by femtosecond laser pulses, Appl. Phys. Lett. 87(19), 191104 (2005),
https://doi.org/10.1063/1.2126796
[10] V.N. Trukhin, A.D. Buravlev, V. Dhaka, G.E. Cirlin, I.A. Mustafin, M.A. Kaliteevski, H. Lipsanen, and Y.B. Samsonenko, Ultrafast carrier dynamics in GaAs nanowires, Lith. J. Phys. 54(1), 41 (2014),
https://doi.org/10.3952/physics.v54i1.2844
[11] A. Arlauskas, J. Treu, K. Saller, I. Beleckaitė, G. Koblmüller, and A. Krotkus, Strong terahertz emission and its origin from catalyst-free InAs nanowire arrays, Nano Lett. 14(3), 1508 (2014),
https://doi.org/10.1021/nl404737r
[12] H. Nakanishi, A. Ito, K. Takayama, I. Kawayama, H. Murakami, and M. Tonouchi, Visualization of photoexcited carrier responses in a solar cell using optical pump–terahertz emission probe technique, J. Infrared Millim. Terahertz Waves 37(5), 498–506 (2015),
https://doi.org/10.1007/s10762-015-0233-x
[13] X.-C. Zhang, B.B. Hu, J.T. Darrow, and D.H. Auston, Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces, Appl. Phys. Lett. 56(11), 1011 (1990),
https://doi.org/10.1063/1.102601
[14] T. Dekorsy, H. Auer, H.J. Bakker, H.G. Roskos, and H. Kurz, THz electromagnetic emission by coherent infrared-active phonons, Phys. Rev. B 53(7), 4005 (1996),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.4005
[15] M. Reid, I.V. Cravetchi, and R. Fedosejevs, Terahertz radiation and second-harmonic generation from InAs: bulk versus surface electric-field-induced contributions, Phys. Rev. B 72(3), 035201(2005),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.035201
[16] V.L. Malevich, P.A. Ziaziulia, R. Adomavičius, A. Krotkus, Y.V. Malevich, Terahertz emission from cubic semiconductor induced by a transient anisotropic photocurrent, J. Appl. Phys. 112(7), 073115 (2012),
https://doi.org/10.1063/1.4758181
[17] P. Cicėnas, A. Geižutis, V.L. Malevich, and A. Krotkus, Terahertz radiation from an InAs surface due to lateral photocurrent transients, Opt. Lett. 40(22), 5164 (2015),
https://doi.org/10.1364/ol.40.005164
[18] V.M. Polyakov and F. Schwierz, Influence of band structure and intrinsic carrier concentration on the THz surface emission from InN and InAs, Semicond. Sci. Technol. 22(9), 1016 (2007),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/22/9/007
[19] A. Krotkus, R. Adomavičius, G. Molis, and V.L. Malevich, Terahertz emission from InAs surfaces excited by femtosecond laser pulses, J. Nanoelectron. Optoe. 2(1), 108 (2007),
https://doi.org/10.1166/jno.2007.011
[20] R. Adomavičius, R. Šustavičiūtė, and A. Krotkus, in: Narrow Gap Semiconductors 2007, eds. B. Murdin and S. Clowes (Springer, Dordrecht, 2008) pp. 41–43,
https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8425-6_10