RU2767156C1 - Terahertz subwave scanning microscope - Google Patents
Terahertz subwave scanning microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767156C1 RU2767156C1 RU2021114445A RU2021114445A RU2767156C1 RU 2767156 C1 RU2767156 C1 RU 2767156C1 RU 2021114445 A RU2021114445 A RU 2021114445A RU 2021114445 A RU2021114445 A RU 2021114445A RU 2767156 C1 RU2767156 C1 RU 2767156C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- terahertz
- emitter
- laser
- thz
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 77
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 2
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- RJWBTWIBUIGANW-UHFFFAOYSA-N 4-chlorobenzenesulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)C1=CC=C(Cl)C=C1 RJWBTWIBUIGANW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной и диагностической технике, а более конкретно к ближнеполевой микроскопии в терагерцовой (ТГц) области спектра. Оно предназначено для диагностики различных объектов при низких температурах с субволновым пространственным разрешением и разрешением по спектру.The invention relates to measuring and diagnostic equipment, and more specifically to near-field microscopy in the terahertz (THz) region of the spectrum. It is intended for diagnostics of various objects at low temperatures with subwavelength spatial resolution and spectral resolution.
Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. заявку US 2007181811 A1, МПК G01N 21/3581, опубликована 27.10.2007). Микроскоп состоит из источника терагерцового излучения и системы электрооптического детектирования, включающей пластинку электрооптического кристалла, зондирующий лазер, делитель пучка, балансный детектор и систему обработки данных. Субволновое разрешение достигается за счет локализации области детектирования терагерцового излучения при размещении тонкой пластинки электрооптического кристалла в непосредственной близости к исследуемому объекту и уменьшении размера пятна зондирующего лазера. В этом случае возможна регистрация терагерцового излучения от объекта в ближнем поле. Размер области локализации будет определяться толщиной электрооптического кристалла, его расстоянием до объекта и размером пятна зондирующего лазера на кристалле. Электрооптический кристалл дополнительно помещают в резонатор для усиления терагерцового поля, что несколько повышает чувствительность измерений. Сканирование можно осуществлять за счет перемещения пятна зондирующего лазера по поверхности электрооптического кристалла.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see application US 2007181811 A1, IPC G01N 21/3581, published 27.10.2007). The microscope consists of a terahertz radiation source and an electro-optical detection system, including a plate of an electro-optical crystal, a probing laser, a beam splitter, a balanced detector, and a data processing system. Subwavelength resolution is achieved by localizing the detection region of terahertz radiation by placing a thin plate of an electro-optical crystal in close proximity to the object under study and by reducing the size of the probing laser spot. In this case, it is possible to register terahertz radiation from an object in the near field. The size of the localization region will be determined by the thickness of the electrooptical crystal, its distance from the object, and the size of the probing laser spot on the crystal. An electrooptical crystal is additionally placed in a resonator to amplify the terahertz field, which slightly increases the measurement sensitivity. Scanning can be performed by moving the probing laser spot over the surface of the electro-optical crystal.
Основным недостатком данного субволнового микроскопа является крайне низкое соотношение сигнал/шум, обусловленное применением ТГц электрооптического детектирования в тонком (субмикронной толщины) электрооптическом кристалле, а также тем, что на детектор поступает только малая доля волнового фронта анализируемого ТГц излучения.The main disadvantage of this subwavelength microscope is the extremely low signal-to-noise ratio due to the use of THz electro-optical detection in a thin (submicron thickness) electro-optical crystal, as well as the fact that only a small fraction of the wavefront of the analyzed THz radiation enters the detector.
Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. заявку PCT/CN 2014/073368, МПК G01N 21/3581, опубликована 2015-02-05). ТГц излучение генерируется в воздухе в условиях распространения в филаменте (в области пробоя воздуха интенсивным лазерным излучением) фемтосекундных импульсов титан сапфирового лазера на основной (800 нм) и второй (400 нм) гармониках. Сверхволновое разрешение достигалось путем расположения керамического предметного столика с изучаемым объектом в непосредственной близости от филамента. Диаметр сканирующего пучка ТГц излучения при этом удавалось получить от 20 до 50 мкм, а пространственное разрешение достигало 20 мкм. Микроскоп состоит из фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм, формирующей оптики, нелинейного кристалла ВВО (бета-бората бария) для генерации второй гармоники лазера, керамического предметного столика, оптической системы для сбора и доставки излучения к детектору, когерентного детектора терагерцового излучения.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see application PCT/CN 2014/073368, IPC G01N 21/3581, published 2015-02-05). THz radiation is generated in air under conditions of propagation in the filament (in the region of air breakdown by intense laser radiation) of femtosecond pulses of a titanium sapphire laser at the fundamental (800 nm) and second (400 nm) harmonics. Superwave resolution was achieved by placing a ceramic object stage with the object under study in the immediate vicinity of the filament. In this case, it was possible to obtain the diameter of the scanning beam of THz radiation from 20 to 50 μm, and the spatial resolution reached 20 μm. The microscope consists of a femtosecond laser with a wavelength of 800 nm, forming optics, a nonlinear BBO crystal (barium beta-borate) for generating the second harmonic of the laser, a ceramic object stage, an optical system for collecting and delivering radiation to the detector, and a coherent terahertz radiation detector.
Недостатком является необходимость использования дорогостоящего фемтосекундного лазера большой мощности для достижения пробоя воздуха (филаментации) и генерации второй гармоники лазера, а также необходимость когерентного детектирования полезного ТГц сигнала.The disadvantage is the need to use an expensive high-power femtosecond laser to achieve air breakdown (filamentation) and generation of the second harmonic of the laser, as well as the need for coherent detection of the useful THz signal.
Известен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (см. "Scanning laser terahertz near-field imaging system", K. Serita, S. Mizuno, H. Murakami, I. Kawayama, Y. Takahashi, N. Yoshimura, Y. Mori, J. Darmo, V. Tonouchi, Optics Express, 20 (12), 12959-12965 (2012)), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Микроскоп-прототип содержит фемтосекундный лазер с длиной волны 1.56 мкм, гальванометр с зеркалами для х-у сканирования, расширитель пучка, фокусирующую линзу, эмиттер терагерцового излучения в виде тонкой пластинки нелинейного оптического кристалла DASC (4'-dimenthylamino-N-methyl-4-stilbazolium р-chlorobenzenesulfonate) толщиной 200 мкм и размером 10x10 мм2, спектрометр (ТГц спектрометр во временной области), когерентный детектор терагерцового излучения, параболические зеркала для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору терагерцового излучения. Эмиттер является предметным столиком для объекта и может быть помещен в оптический криостат.Known terahertz subwavelength scanning microscope (see "Scanning laser terahertz near-field imaging system", K. Serita, S. Mizuno, H. Murakami, I. Kawayama, Y. Takahashi, N. Yoshimura, Y. Mori, J. Darmo , V. Tonouchi, Optics Express, 20 (12), 12959-12965 (2012)), coinciding with the present decision in the largest number of essential features and taken as a prototype. The prototype microscope contains a femtosecond laser with a wavelength of 1.56 μm, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter in the form of a thin plate of a non-linear optical crystal DASC (4'-dimenthylamino-N-methyl-4- stilbazolium p-chlorobenzenesulfonate) 200 µm thick and 10x10 mm 2 in size, a spectrometer (THz spectrometer in the time domain), a coherent terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to the terahertz radiation detector. The emitter is a stage for the object and can be placed in an optical cryostat.
Сверхволновое разрешение достигается тем, что область возбуждения ТГц излучения в эмиттере располагается практически вплотную к исследуемому объекту, причем размеры зоны локализации ТГц излучения в основном определяются областью фокусировки пучка фемтосекундного лазера и, следовательно, могут быть значительно меньше длины волны ТГц излучения. В данном устройстве было достигнуто пространственное разрешение ТГц изображений порядка 27 мкм, что значительно меньше средней волны ТГц излучения в центре спектра используемого ТГц излучения (порядка 750 мкм).Superwave resolution is achieved by the fact that the THz radiation excitation region in the emitter is located almost close to the object under study, and the dimensions of the THz radiation localization zone are mainly determined by the femtosecond laser beam focusing region and, therefore, can be much smaller than the THz radiation wavelength. In this device, a spatial resolution of THz images of the order of 27 μm was achieved, which is much less than the average wave of THz radiation in the center of the spectrum of the used THz radiation (about 750 μm).
Недостатком микроскопа-прототипа является необходимость применения дорогостоящего фемтосекундного лазера, что накладывает дополнительные требования к характеристикам лабораторного помещения (влажность, температурный режим и т.д.). При работе при низких температурах в оптическом криостате будут возникать нежелательные искажения импульсов фемтосекундного лазера на окнах криостата (чирп-эффект). Кроме того, когерентный 2D ТГц эмиттер на нелинейном кристалле DASC имеет сравнительно невысокую квантовую эффективность, а вся методика требует применения методов когерентного детектирования ТГц излучения.The disadvantage of the prototype microscope is the need to use an expensive femtosecond laser, which imposes additional requirements on the characteristics of the laboratory space (humidity, temperature, etc.). When operating at low temperatures in an optical cryostat, undesirable distortions of the femtosecond laser pulses on the windows of the cryostat (chirp effect) will occur. In addition, a coherent 2D THz emitter based on a nonlinear DASC crystal has a relatively low quantum efficiency, and the entire technique requires the use of methods for coherent detection of THz radiation.
Задачей настоящего технического решения является разработка терагерцового субволнового сканирующего микроскопа, который бы обеспечивал упрощение конструкции при сохранении разрешающей способности.The objective of this technical solution is to develop a terahertz subwavelength scanning microscope, which would provide a simplified design while maintaining resolution.
Поставленная задача достигается тем, что микроскоп содержит лазер, гальванометр с зеркалами для х-у сканирования, расширитель пучка, фокусирующую линзу, эмиттер терагерцового излучения, оптический криостат, спектрометр, детектор терагерцового излучения, параболические зеркала для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору терагерцового излучения, при этом эмиттер помещен в оптический криостат и является предметным столиком для объекта. Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что используют непрерывный лазер и некогерентный детектор терагерцового излучения, а эмиттер выполнен в виде слоя полупроводникового материала, поглощающего излучение лазера, при этом слой полупроводникового материала расположен на высоколегированной полупроводниковой подложке, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение.The task is achieved in that the microscope contains a laser, a galvanometer with mirrors for x-y scanning, a beam expander, a focusing lens, a terahertz radiation emitter, an optical cryostat, a spectrometer, a terahertz radiation detector, parabolic mirrors for collecting and delivering terahertz radiation to the terahertz radiation detector , while the emitter is placed in an optical cryostat and is an object stage for the object. New in this technical solution is the fact that a continuous laser and an incoherent terahertz radiation detector are used, and the emitter is made in the form of a layer of semiconductor material that absorbs laser radiation, while the layer of semiconductor material is located on a highly doped semiconductor substrate that is transparent to laser radiation and absorbs terahertz radiation. radiation.
Эмиттер может быть выполнен в виде слоя полупроводникового материала толщиной 1-2 мкм.The emitter can be made in the form of a layer of semiconductor material with a thickness of 1-2 microns.
В качестве полупроводникового материала можно использовать прямозонный полупроводник или полупроводниковый твердый раствор.The semiconductor material can be a direct-gap semiconductor or a semiconductor solid solution.
В качестве спектрометра можно использовать интерферометр Майкельсона.A Michelson interferometer can be used as a spectrometer.
Конструкция эмиттера в виде слоя поглощающего излучение лазера полупроводникового материала, расположенного на высоколегированной полупроводниковой подложке, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение, позволяет использовать для генерации ТГц излучения непрерывный лазер и, соответственно, некогерентный детектор терагерцового излучения, что приводит к упрощению конструкции микроскопа. Сверхволновое разрешение достигается острой фокусировкой лазерного пучка на эмиттере ТГц излучения, а работа заявляемого технического решения основана на физическом явлении ТГц фотолюминесценции при межзонном возбуждении в полупроводниках. Явление состоит в генерации внутрицентрового ТГц излучения при рекомбинации неравновесных носителей с участием примесных центров в легированных полупроводниках при низких температурах (см. "Terahertz photoluminescence from GaAs doped with shallow donors at interband excitation", A.O. Zakharln, A.V. Andrianov, A. Yu. Egorov, N. N. Zinov'ev, Appl. Phys. Lett., 96, 211118, (2010)).The design of the emitter in the form of a layer of semiconductor material absorbing laser radiation, located on a highly doped semiconductor substrate, transparent to laser radiation and absorbing terahertz radiation, makes it possible to use a cw laser and, accordingly, an incoherent terahertz radiation detector to generate THz radiation, which leads to a simplification of the microscope design. Superwave resolution is achieved by sharp focusing of the laser beam on the emitter of THz radiation, and the operation of the proposed technical solution is based on the physical phenomenon of THz photoluminescence during interband excitation in semiconductors. The phenomenon consists in the generation of intracenter THz radiation during the recombination of nonequilibrium carriers with the participation of impurity centers in doped semiconductors at low temperatures (see "Terahertz photoluminescence from GaAs doped with shallow donors at interband excitation", AO Zakharln, AV Andrianov, A. Yu. Egorov, NN Zinov'ev, Appl. Phys. Lett., 96, 211118, (2010)).
Настоящее устройство поясняется чертежами, гдеThis device is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 схематично изображен терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп;in fig. 1 is a schematic representation of a terahertz subwavelength scanning microscope;
на фиг. 2 схематично изображен эмиттер ТГц излучения;in fig. 2 schematically shows the emitter of THz radiation;
на фиг. 3 приведен характерный спектр ТГц фотолюминесценции (ФЛ) слоя n-GaAs, описанного в примере 1;in fig. 3 shows a typical THz photoluminescence (PL) spectrum of the n-GaAs layer described in Example 1;
на фиг. 4 приведено ТГц изображение тестового объекта, представляющего полоску слоя AI толщиной порядка 300 нм, нанесенную на двумерный ТГц эмиттер из примера 1;in fig. 4 shows a THz image of a test object representing a stripe of the AI layer with a thickness of about 300 nm deposited on a two-dimensional THz emitter from example 1;
на фиг. 5 показана зависимость ТГц сигнала, регистрируемого детектором в дальнем поле, от положения фокуса лазерного излучения на поверхности двумерного ТГц эмиттера из примера 1.in fig. Figure 5 shows the dependence of the THz signal recorded by the detector in the far field on the position of the laser radiation focus on the surface of the two-dimensional THz emitter from Example 1.
Настоящий терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп (фиг. 1) содержит непрерывный лазер 1, гальванометр 2 с зеркалами для х-у сканирования, расширитель 3 пучка, фокусирующую линзу 4, эмиттер 5 терагерцового излучения, оптический криостат 6, спектрометр 7, некогерентный детектор 8 терагерцового излучения, параболические зеркала 9 для сбора и доставки терагерцового излучения к детектору 8 терагерцового излучения. Эмиттер 5 помещен в оптический криостат 6 и является предметным столиком для объекта 10.This terahertz subwavelength scanning microscope (Fig. 1) contains a
Эмиттер 5 ТГц излучения (фиг. 2) выполнен в виде слоя 11 полупроводникового материала, поглощающего излучение лазера 1, при этом слой 11 расположен на высоколегированной полупроводниковой подложке 12, прозрачной для лазерного излучения и поглощающей терагерцовое излучение.The
Эмиттер 5 может быть выполнен в виде слоя полупроводникового материала толщиной 1-2 мкм.The
В качестве полупроводникового материала можно использовать прямозонный полупроводник или полупроводниковый твердый раствор.The semiconductor material can be a direct-gap semiconductor or a semiconductor solid solution.
В качестве спектрометра можно использовать интерферометр Майкельсона.A Michelson interferometer can be used as a spectrometer.
Настоящий терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп работает следующим образом. Излучение непрерывного лазера 1 с помощью расширителя пучка 3 и фокусирующей линзы 4 остро фокусируется на эмиттере 5 ТГц излучения, с расположенным на нем объектом 10. При этом эмиттер 5 помещается в оптический криостат 6 и охлаждается до гелиевых температур. Лазерное излучение накачки полностью поглощается в эмиттере 5, и не поглощается в широкозонной полупроводниковой подложке 12, при этом генерируемое в эмиттере 5 ТГц излучение не имеет возможности распространяться внутри подложки 12 вследствие сильного поглощения на свободных носителей в ней. Кроме того, оно не может распространяться вдоль слоя эмиттера 5 в силу того, что длина волны ТГц излучения значительно больше толщины этого слоя. Поэтому оно распространяется в сторону, на которой расположен исследуемый объект 10 и область локализации ТГц излучения определяется размером фокуса возбуждающего излучения. X-Y сканирование области фотовозбуждения по поверхности эмиттера 5 осуществляется с помощью гальванометра 2 и совместно с измерением ТГц сигнала позволяет получить субволновое изображение объекта в ТГц лучах. ТГц излучение, про-генерированное в эмиттере 5, после взаимодействия с объектом 10 собирается и доставляется к детектору 8 с помощью параболических зеркал 9. В параллельном пучке ТГц излучения может быть помещен спектрометр 7, что позволяет получить спектр ТГц излучения после его взаимодействия с объектом.A real terahertz subwavelength scanning microscope works as follows. The radiation of a
Были изготовлены макетные образцы терагерцового субволнового сканирующего микроскопа.Model samples of a terahertz subwavelength scanning microscope were made.
Пример 1.Example 1
Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиаль-ной пленки n-GaAs с концентрацией донорной примеси (Si) 8×1016 см-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке n+-GaAs с концентрацией донорной примеси 6×1018 см-3 толщиной 150 мкм. Возбуждающее излучение полупроводникового лазера с длиной волны 0.81 мкм остро фокусируется на поверхность слоя n-GaAs с его обратной стороны (см. Фиг. 2) с помощью линзы с фокусным расстоянием 60 мм (диаметр линзы 45 мм, а диаметр пучка лазерного излучения на линзе порядка 20 мм) и практически полностью поглощается в этом слое. При этом возбуждающее лазерное излучение практически не поглощается в n+-GaAs подложке, в которой край межзонного поглощения сдвинут в высокоэнергетическую область за счет эффекта Мосса-Бурштейна. Таким образом, слой n+-GaAs играет роль широкозонной (непоглощающей излучение накачки) подложки. ТГц излучение после его взаимодействия с исследуемых объектом собирается с помощью параболических зеркал и доставляется к детектору, в качестве которого используется охлаждаемый кремниевый болометр. Х-У сканирование пучка возбуждающего излучения организовано с использованием зеркала с гальванометрическим сканирующим элементом XG220-Y1.A two-dimensional THz emitter was used, made in the form of an epitaxial n-GaAs film with a donor impurity concentration (Si) of 8 × 10 16
На фиг. 3 приведен характерный спектр ТГц ФЛ слоя n-GaAs при его межзонном фотовозбуждении лазерным излучением с длиной волны 0.81 мкм при 5 К. Максимум в спектре излучения соответствует длине волны 189 мкм, а полуширина спектра излучения составляет порядка 130 мкм.In FIG. Figure 3 shows the characteristic THz PL spectrum of the n-GaAs layer upon its interband photoexcitation by laser radiation with a wavelength of 0.81 μm at 5 K. The maximum in the emission spectrum corresponds to a wavelength of 189 μm, and the half-width of the emission spectrum is about 130 μm.
На фиг. 4 приведено ТГц изображение тестового объекта, представляющего полоску слоя AI толщиной порядка 300 нм, нанесенную на двумерный ТГц эмиттер. По данным АСМ измерений ширина перехода от алюминия к GaAs составляла порядка 400 нм.In FIG. Figure 4 shows a THz image of a test object representing a stripe of the AI layer about 300 nm thick deposited on a two-dimensional THz emitter. According to AFM measurements, the width of the transition from aluminum to GaAs was about 400 nm.
На фиг. 5 показана зависимость ТГц сигнала, регистрируемого детектором в дальнем поле, от положения фокуса лазерного излучения на поверхности двумерного ТГц эмиттера. Выделен участок, соответствующий границе металлической пленки, то есть переходу от металла к арсениду галлия. Можно видеть, что изменение интенсивности ТГц сигнала в пределах 0.1-0.9 от максимальной интенсивности происходит в области значений горизонтальной координаты размером порядка 9 мкм. Этот размер соответствует достигнутому пространственному разрешению в ТГц изображении. Таким образом, заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют получить субволновое разрешение в ТГц области. Принимая во внимание, что центральная длина волны в спектре ТГц фотолюминесценции (см. фиг. 3) составляет 189 мкм, приходим к заключению, что достигается субволновое разрешение порядка λ/21.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the THz signal recorded by the detector in the far field on the position of the laser radiation focus on the surface of the two-dimensional THz emitter. The section corresponding to the boundary of the metal film, that is, the transition from metal to gallium arsenide, is highlighted. It can be seen that the change in the intensity of the THz signal within 0.1–0.9 of the maximum intensity occurs in the range of values of the horizontal coordinate with a size of about 9 μm. This size corresponds to the achieved spatial resolution in the THz image. Thus, the proposed method and the device for its implementation make it possible to obtain subwavelength resolution in the THz region. Taking into account that the central wavelength in the THz photoluminescence spectrum (see Fig. 3) is 189 μm, we conclude that a subwavelength resolution of the order of λ/21 is achieved.
Пример 2.Example 2
Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиаль-ной пленки n-GaAs с концентрацией донорной примеси (Si) 7×1016 см-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке p+-GaP с концентрацией акцепторной примеси 1×1018 см-3 толщиной 150 мкм. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 0.81 мкм. Достигнуто пространственное разрешение 10 мкм.A two-dimensional THz emitter was used, made in the form of an epitaxial n-GaAs film with a donor impurity concentration (Si) of 7 × 10 16
Пример 3.Example 3
Использовался двумерный ТГц эмиттер, выполненный в виде эпитаксиальной пленки твердого раствора Ga0.47In0.53As с концентрацией донорной примеси (Si) 8×l016 см-3 толщиной 2 мкм, выращенный методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке р+-InP с концентрацией акцепторной примеси 5×1018 см-3 толщиной 150 мкм. Использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 1.3 мкм. Достигнуто пространственное разрешение 13 мкм.We used a two-dimensional THz emitter made in the form of an epitaxial film of a Ga 0.47 In 0.53 As solid solution with a donor impurity concentration (Si) 8 × l0 16 cm -3 2 μm thick, grown by molecular beam epitaxy on a p + -InP substrate with an
Приведенные выше примеры доказывают тот факт, что заявляемый терагерцовый субволновый сканирующий микроскоп обеспечивает упрощение конструкции при сохранении разрешающей способности по сравнению с прототипом.The above examples prove the fact that the proposed terahertz subwavelength scanning microscope provides a simplified design while maintaining resolution compared to the prototype.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114445A RU2767156C1 (en) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Terahertz subwave scanning microscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021114445A RU2767156C1 (en) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Terahertz subwave scanning microscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2767156C1 true RU2767156C1 (en) | 2022-03-16 |
Family
ID=80737021
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021114445A RU2767156C1 (en) | 2021-05-20 | 2021-05-20 | Terahertz subwave scanning microscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2767156C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105092514A (en) * | 2015-08-20 | 2015-11-25 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | Scattering type scanning near field terahertz microscope |
CN108917929A (en) * | 2018-05-24 | 2018-11-30 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Terahertz confocal micro imaging system and its imaging method |
WO2020125373A1 (en) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 深圳市华讯方舟太赫兹科技有限公司 | Terahertz microscopic imaging system and imaging method |
-
2021
- 2021-05-20 RU RU2021114445A patent/RU2767156C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105092514A (en) * | 2015-08-20 | 2015-11-25 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | Scattering type scanning near field terahertz microscope |
CN108917929A (en) * | 2018-05-24 | 2018-11-30 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Terahertz confocal micro imaging system and its imaging method |
WO2020125373A1 (en) * | 2018-12-17 | 2020-06-25 | 深圳市华讯方舟太赫兹科技有限公司 | Terahertz microscopic imaging system and imaging method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11592391B2 (en) | Photothermal imaging device and system | |
Sheppard | Scanning optical microscopy | |
US6181416B1 (en) | Schlieren method for imaging semiconductor device properties | |
US5589936A (en) | Optical measuring apparatus for measuring physichemical properties | |
US20100315646A1 (en) | Method and Apparatus of Z-Scan Photoreflectance Characterization | |
JPH05281141A (en) | Method and apparatus for photoluminescence measurement in crystal | |
US11561170B2 (en) | Method and system for performing terahertz near-field measurements | |
Kim et al. | Transmission-type laser THz emission microscope using a solid immersion lens | |
RU2767156C1 (en) | Terahertz subwave scanning microscope | |
KR100790707B1 (en) | Dispersion control confocal laser microscope | |
CN110470639B (en) | Multimode scanning microscope imaging system based on laser-induced photo-thermal effect | |
Marek et al. | High resolution scanning photoluminescence characterization of semi‐insulating GaAs using a laser scanning microscope | |
Dorfer et al. | Three-dimensional charge transport mapping by two-photon absorption edge transient-current technique in synthetic single-crystalline diamond | |
JP2006102896A (en) | Molecular structure control method and molecular structure controlling apparatus | |
CN210571951U (en) | Multi-mode scanning microscope imaging system based on laser-induced photothermal effect | |
CN114002157A (en) | Device and method for measuring service life of two-dimensional semiconductor material carrier | |
Ansari et al. | High frame-rate, 3-D photorefractive holography through turbid media with arbitrary sources, and photorefractive structured illumination | |
JPH06177218A (en) | Measuring device for free-carrier life and the like of semiconductor | |
Simanovskii et al. | Near-field infrared microscopy with a transient photoinduced aperture | |
Wan et al. | Polarization and sectioning characteristic of THz confocal microscopy | |
Stanton et al. | Monochromatic transverse-polarized phonons from femtosecond pulsed optical excitation of a GaAs/AlAs superlattice | |
JPS6244652A (en) | Crystal defect analyzing device | |
Samolis et al. | Mid-infrared Photothermal Imaging of Fibroblast Cells | |
Ziegler | Energy resolved and spatially resolved photoluminescence | |
Chen et al. | Terahertz Imaging with a Dynamic Aperture |