Динамика генерации свободных носителей в кремнии с различным типом легирования при воздействии терагерцевыми импульсами

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлены результаты экспериментальных исследований генерации свободных носителей в легированном кремнии n- и р-типа при воздействии переднего фронта терагерцевого импульса пикосекундной длительности с амплитудой электрического поля до 20 МВ/см. Экспериментально показано, что коэффициент пропускания пробного фемтосекундного лазерного импульса при увеличении напряженности поля от 10 до 20 МВ/см во время действия первого периода терагерцевого импульса одинаков для образцов кремния с различным типом легирования. Проведено численное моделирование динамики заполнения носителями зоны проводимости в кремнии n- и р-типа. Показано, что в ходе увеличения напряженности поля до ~10 МВ/см, когда концентрация электрон-дырочных пар становится соизмеримой с концентрацией примесных электронов (дырок), доминирует электронная (n-тип) или дырочная (р-тип) ударная ионизация, что необходимо учитывать при расчетах.

About the authors

А. В. Овчинников

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: a.ovtch@gmail.com
Russian Federation, Москва

О. В. Чефонов

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: oleg.chefonov@gmail.com
Russian Federation, Москва

А. В. Кудрявцев

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.ovtch@gmail.com
Russian Federation, Москва

Е. Д. Мишина

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.ovtch@gmail.com
Russian Federation, Москва

М. Б. Агранат

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: agranat2004@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Tarekegne A.T., Iwaszczuk K., Zalkovskij M., Strikwerda A.C., Jepsen P.U. Impact Ionization in High Resistivity Silicon Induced by an Intense Terahertz Field Enhanced by an Antenna Array // New J. Phys. 2015. V. 17. № 4. P. 043002.
  2. Tarekegne A.T., Hirori H., Tanaka K., Iwaszczuk K., Jepsen P.U. Impact Ionization Dynamics in Silicon by MV/cm THz Fields // New J. Phys. 2017. V. 19. № 12. P. 123018.
  3. Hebling J., Hoffmann M.C., Hwang H.Y., Yeh K.-L., Nelson K.A. Observation of Nonequilibrium Carrier Distribution in Ge, Si, and GaAs by Terahertz Pump–Terahertz Probe Measurements // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 3. P. 035201.
  4. Hirori H., Shinokita K., Shirai M., Tani S., Kadoya Y., Tanaka K. Extraordinary Carrier Multiplication Gated by a Picosecond Electric Field Pulse // Nat. Commun. 2011. V. 2. № 1. P. 594.
  5. Lange C., Maag T., Hohenleutner M., Baierl S., Schubert O., Edwards E.R.J., Bougeard D., Woltersdorf G., Huber R. Extremely Nonperturbative Nonlinearities in GaAs Driven by Atomically Strong Terahertz Fields in Gold Metamaterials // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. № 22. P. 227401.
  6. Zhang B., Ma Z., Ma J., Wu X., Ouyang C., Kong D., Hong T., Wang X., Yang P., Chen L., Li Y., Zhang J. 1.4-mJ High Energy Terahertz Radiation from Lithium Niobates // Laser Photon. Rev. 2021. V. 15. № 3. P. 2000295.
  7. Vicario C., Ovchinnikov A.V., Ashitkov S.I., Agranat M.B., Fortov V.E., Hauri C.P. Generation of 0.9-mJ THz Pulses in DSTMS Pumped by a Cr:Mg2SiO4 Laser // Opt. Lett. 2014. V. 39. № 23.
  8. Shalaby M., Hauri C.P. Demonstration of a Low-frequency Three-dimensional Terahertz Bullet with Extreme Brightness // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 5976. P. 5976.
  9. Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B., Fortov V.E., Jazbinsek M., Hauri C.P. Generation of Strong-field Spectrally Tunable Terahertz Pulses // Opt. Express. 2020. V. 28. № 23. P. 33921.
  10. Митрофанов А.В., Рожко М.В., Назаров М.М., Якушкин Н.В., Воронин А.А., Федотов А.Б., Сидоров-Бирюков Д.А. Генерация терагерцового излучения релятивистскими лазерными импульсами на поверхности толстых твердотельных мишеней и тонких фольг // Письма в ЖЭТФ. 2024. Т. 119. № 3–4. С. 166.
  11. Румянцев Б.В., Пушкин А.В., Сулейманова Д.З., Жидовцев Н.А., Потемкин Ф.В. Генерация перестраиваемого мощного малопериодного терагерцового излучения в органических кристаллах при накачке мультигигаваттными чирпированными лазерными импульсами ближнего ИК-диапазона на длине волны 1.24 мкм // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 7–8(4). С. 571.
  12. Chefonov O.V., Ovchinnikov A.V., Romashevskiy S.A., Chai X., Ozaki T., Savel’ev A.B., Agranat M.B., Fortov V.E. Giant Self-induced Transparency of Intense Few-cycle Terahertz Pulses in n-doped Silicon // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 23. P. 4889.
  13. Chefonov O.V., Ovchinnikov A.V., Agranat M.B., Fortov V.E., Efimenko E.S., Stepanov A.N., Savel’ev A.B. Nonlinear Ttransfer of an Intense Few-cycle Terahertz Pulse Through Opaque n-doped Si // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. № 16. P. 165206.
  14. Woldegeorgis A., Kurihara T., Beleites B., Bossert J., Grosse R., Paulus G.G., Ronneberger F., Gopal A. THz Induced Nonlinear Effects in Materials at Intensities above 26 GW/cm2 // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2018. V. 39. № 7. P. 667.
  15. Dey I., Jana K., Fedorov V.Y., Koulouklidis A.D., Mondal A., Shaikh M., Sarkar D., Lad A.D., Tzortzakis S., Couairon A., Kumar G.R. Highly Efficient Broadband Terahertz Generation from Ultrashort Laser Filamentation in Liquids // Nat. Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 1.
  16. Агранат М.Б., Ашитков С.И., Иванов А.А., Конященко А.В., Овчинников А.В., Фортов В.Е. Тераваттная фемтосекундная лазерная система на хром-форстерите // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 6. С. 506.
  17. Vicario C., Jazbinsek M., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Ashitkov S.I., Agranat M.B., Hauri C.P. High Efficiency THz Generation in DSTMS, DAST, and OH1 Pumped by Cr:Forsterite Laser // Opt. Express. 2015. V. 23. № 4. P. 4573.
  18. Овчинников А.В., Чефонов О.В., Агранат М.Б. Генерация второй оптической гармоники в кремнии при воздействии терагерцевого импульса с высокой напряженностью электрического поля // ТВТ. 2022. Т. 60. № 5. С. 666.
  19. Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V., Agranat M.B., Kudryavtsev A.V., Mishina E.D., Yurkevich A.A. Free-carrier Generation Dynamics Induced by Ultrashort Intense Terahertz Pulses in Silicon // Opt. Express. 2021. V. 29. № 16. P. 26093.
  20. Agranat M.B., Ovchinnikov A.V., Chefonov O.V. Ioni-zation of a Silicon Surface Layer Induced by a High-Intensity Subpicosecond Electric Field // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2024. V. 45. P. 383.
  21. Randall C.M., Rawcliffe R.D. Refractive Indices of Germanium, Silicon, and Fused Quartz in the Far Infrared // Appl. Opt. 1967. V. 6. № 11. P. 1889.
  22. Schinke C., Christian Peest P., Schmidt J., Brendel R., Bothe K., Vogt M.R., Kröger I., Winter S., Schirmacher A., Lim S., Nguyen H.T., Macdonald D. Uncertainty Analysis for the Coefficient of Band-to-band Absorption of Crystalline Silicon // AIP Adv. 2015. V. 5. № 6. P. 067168.
  23. Redmer R., Madureira J.R., Fitzer N., Goodnick S.M., Schattke W., Schöll E. Field Effect on the Impact Ionization Rate in Semiconductors // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. № 2. P. 781.
  24. Kunikiyo T., Takenaka M., Morifuji M., Taniguchi K., Hamaguchi C. A Model of Impact Ionization Due to the Primary Hole in Silicon for a Full Band Monte Carlo Simulation // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. № 10. P. 7718.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences