基于飞秒光谱的第三代半导体中电子与光学声子的耦合研究

Due to high thermal conductivity, wide band gap and the other merits, the third-generation semiconductors will be widely applied in novel electronics and optoelectronics. The coupling between electrons and optical phonons will significantly affect the performance of these semiconductors including heat generation rate, thermal conductivity and light-to-electricity conversion efficiency. Therefore, studying the electron-optical phonon coupling could provide scientific guide for exploring, utilizing and improving this kind of materials. However, mode-wise study of the electron-optical phonon coupling is not trivial in experiments. Many experimental methods are only able to detect the averaging effect of the interactions among all the energy carriers with little illumination of the deeper-level coupling relation between different modes. In addition, most of the previous works focused on the conventional semiconductors while there is a lack of experimental investigation on the third-generation semiconductors. In this work, "dual pump-probe" technique based on femtosecond laser will be utilized. The two pump laser beams are used for independently tuning the electron mode and the optical phonon mode. The effect of the electron state on the relaxation of the optical phonons is detected by the probe laser, from which the mode-wise information about the electron-optical phonon coupling could be obtained for the representative third-generation semiconductors including silicon carbide and gallium nitride. This work will provide experimental reference for further investigating the thermal properties of the third-generation semiconductors and the related thermophysical processes.

第三代半导体因其高热导率、宽禁带等优异性能，将被广泛应用于新型电子器件和光电器件，而电子与光学声子的耦合会在很大程度上影响其发热率、导热率、光电转化效率等使用性能，因此，研究电子与光学声子的耦合可以为这类材料的开发、利用与改性提供科学指导。然而，电子与光学声子的耦合的模式分辨一直是实验研究的难点，许多实验方法只能检测到所有载能粒子相互作用的平均效果，无法揭示各个模式之间的深层次耦合关系。此外，以往的工作多数围绕传统半导体进行，针对第三代半导体的实验研究还存在较大空白。本项目将采用基于飞秒激光的“双泵浦-探测”方法进行研究，两束泵浦激光分别对电子与光学声子的模式进行独立调控，电子的状态对光学声子弛豫过程的影响由探测激光检测，从而得到典型第三代半导体碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）中电子与光学声子的耦合的模式分辨信息，为深入研究第三代半导体的热物性以及相关的热物理过程提供实验依据。

第三代半导体因其高热导率、宽禁带等优点，将被广泛应用于新型电子器件和光电器件，而电子与声子的耦合会在很大程度上影响其发热率、导热率、光电转化效率等使用性能，因此，研究电子与声子的耦合可以为这类材料的开发、利用与改性提供科学指导。以往的电声耦合研究工作多数围绕传统半导体进行，针对第三代半导体的研究存在较大空白。本项目采用基于飞秒激光的光谱技术对典型第三代半导体SiC的载流子、声子的超快动力学进行研究，为研究第三代半导体的热物性提供实验依据。..在本项目的资助下，课题组完成了飞秒光谱系统的建设，系统包括1台飞秒激光器，2台光学参量放大器。光学参量放大器用于通过非线性光学过程调节飞秒激光的波长，以实现不同能级上的电子的激发和探测。激发激光覆盖640-960 nm，探测激光覆盖400-1500 nm。此外，第三代半导体的带隙较宽，与可见或近红外范围内的光的作用多通过非线性光学过程完成。对此，课题组采用z扫描技术测量了4H-SiC、6H-SiC在500-1000 nm波段的非线性吸收系数，发现当双光子能量大于其带隙时，双光子跃迁主导光吸收过程。在此基础上，课题组利用飞秒光谱进行了4H-SiC、6H-SiC的瞬态透射光谱表征，发现了由宽带隙引起的200 fs以内的超快电子弛豫过程。当采用可见或近红外波段的激光激发时，由于单光子能量小于带隙，价带的电子无法被激发至导带，只能被激发到价带与导带中间的某个虚能级。电子在虚能级上只能停留1-10 fs量级的时间，而后即返回价带。在这一过程中，电子的空间分布发生了瞬态改变，可以对晶格施加一个瞬态的库仑力作用，从而诱导相干光学声子的产生。在200 fs以外，激发激光产生的自由电子和空穴的特征信号呈现缓慢的长于100 ps的衰减趋势，说明电子和空穴与光学声子的散射在200 fs以内已经完成，在长于200 fs的范围内，带间复合跃迁起到主要贡献。