Journal of Experimental and Theoretical PhysicsJournal of Experimental and Theoretical PhysicsЖурнал экспериментальной и теоретической физики0044-45103034-641XThe Russian Academy of Sciences65351610.31857/S0044451023050061BDSFKNArticlesСтатьиResearch ArticleTerahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) of LED Heterostructures with Three and Five InxGa1 – xN/GaN Quantum WellsТерагерцевая спектроскопия с временным разрешением (THZ–TDS) светодиодных гетероструктур с тремя и пятью квантовымиямами InxGa1−xN/GaNBurmistrovE. RБурмистровЕ. Рeugeni.conovaloff@yandex.ruAvakyantsL. PАвакянцЛ. Пavakyants@physics.msu.ruMoscow State UniversityМосковский государственный университет имени М. В. Ломоносова150520231635NO5 (2023)№5 (2023)66968105022025Copyright ©; 2023, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2023, Российская академия наук2023Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0044-4510/article/view/653516

Using terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS), we have detected resonance frequencies of plasmon oscillations excited in heterostructures with multiple InxGa1 – xN/GaN quantum wells by laser pulses with a duration of 130 fs in the temperature range from 90 to 170 K. The fast Fourier transform of temporal forms of terahertz pulses has made it possible to obtain frequency spectra of the power and of the phase shift of terahertz radiation, the interpretation of which has allowed us to estimate the quasi-momentum relaxation time (τ = 10–12 s), mobility (μ = 4 × 103 cm2/(V s)), and effective mass (m* = 0.45m) of majority charge carriers in these heterostructures. Based on the frequency spectra of power and phase shift of terahertz radiation, we have obtained the temperature dependences of the effective mass and relaxation time of the quasi-momentum of a 2D electron gas (2DEG). The 2DEG mobility value obtained by the THz-TDS method is in good agreement with the Hall measurement data.

Методом терагерцевой спектроскопии с временным разрешением (THz-TDs) зарегистрированы резонансные частоты плазмонных осцилляций, возбуждаемые в гетероструктурах со множественными квантовыми ямами InxGa1-x N/GaN лазерными импульсами длительностью 130 фс в диапазоне температур от 90 до 170 К. Быстрое преобразование Фурье временных форм терагерцевых импульсов позволило получить частотные спектры мощности и фазового сдвига терагерцевого излучения, интерпретация которых дала12 3 2-возможность оценить время релаксации квазиимпульса (τ = 10 с), подвижность (µ = 4 · 10 см /В · с)∗и эффективную массу (m = 0.45m) основных носителей заряда в исследованных гетероструктурах. На основании частотных спектров мощности и фазового сдвига терагерцевого излучения были получены температурные зависимости эффективной массы и времени релаксации квазиимпульса двумерного электронного газа (2DEG). Значение подвижности 2DEG, полученное методом THz-TDs, хорошо согласуюется с данными холловских измерений.

B. Richard and M. Schasfoort, Handbook of Surface Plasmon Resonance, (2017).A. Ando, T. Kurose, V. Reymond, K. Kitano, H. Kitahara, K. Takano, M. Tani, M. Hangyo, and S. Hamaguchi, J. Appl. Phys. 110, 7 (2011).S. P. Jamison, D. R. Jones, R. C. Issac, B. Ersfeld, D. Clark, and D. A. Jaroszynski, J. Appl. Phys. 93, 7 (2003).C. Strothk¨amper, A. Bartelt, R. Eichberger, C. Kaufmann, and T. Unold, Phys. Rev. B 89, 11 (2014).A. Mendoza-Galvan and J. Gonzalez-Hernandez, J. Appl. Phys. 87, 760 (2000).M. Orio and D. Pantazis, F. Neese, Photosynthesis Research 102, 2 (2009).G. Sun, R. Chen, and Y. J. Ding, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 19 (2013).I. Prudaev, S. Sarkisov, O. Tolbanov, and A. Kosobutsky, Phys. Stat. Sol. B 252, 5 (2015).W. Rehman, R. L. Milot, G. E. Eperon, C. Wehrenfennig, J. L. Boland, H. J. Snaith, M. B. Johnston, and L. M. Herz, Adv. Mat. 27, 48 (2015).G. R. Yettapu, D. Talukdar, S. Sarkar, A. Swarnkar, A. Nag, P. Ghosh, and P. Mandal, Nano Lett. 16, 8 (2016).A. M. Ulatowski, L. M. Herz, and M. B. Johnston, J/ of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 41, 12 (2020).D. Pashnev, V. V. Korotyeyev, J. Jorudas, T. Kaplas, V. Janonis, A. Urbanowicz, and I. Kaˇsalynas, Appl. Phys. Lett. 117, 16 (2020).K. H. Tsai, T.-M. Wu, and S. F. Tsay, J. Chem. Phys. 132, 034502 (2010).V. V. Korotyeyev, V. A. Kochelap, V. V. Kaliuzhnyi, and A. E. Belyaev, Appl. Phys. Lett. 120, 252103 (2022).P. J. S. van Capel, D. Turchinovich, H. P. Porte, S. Lahmann, U. Rossow, A. Hangleiter, and J. I. Dijkhuis, Phys. Rev. B 84, (2011).G. Sun, G. Xu, and Y. J. Ding, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 17, 48 (2011).H. P. Porte, D. Turchinovich, D. G. Cooke, and P. U. Jepsen, J. Phys.: Conf. Series 193, 012084 (2009).М. Л. Бадгутдинов, А. Э. Юнович, ФТП 42, 4 (2008).В. И. Олешко, С. Г. Горина, Ученые записки физического факультета 5, 155501 (2015).В. Г. Мокеров, А. Л. Кузнецов, Ю. В. Федоров, Е. Н. Енюшкина, А. С. Бугаев, А. Ю. Павлов, Д. Л. Гнатюк, А. В. Зуев, Р. Р. Галиев, Е. Н. Овчаренко, Ю. Н. Свешников, А. Ф. Цацульников, В. М. Устинов, ФТП 43, 4 (2009).J. M. Hensley, J. Montoya, M. G. Allen, J. Xu, L. Mahler, A. Tredicucci, H. E. Beere, and D. A. Ritchie, Optics Express 22, 17 (2009).G. Franssen, P. Perlin, and T. Suski, Phys. Rev. B 69, 4 (2004).Z. Chang, Phys. Rev. A 70, 4 (2004).P. Schley, R. Goldhahn, G. Gobsch, M. Feneberg, K. Thonke, and X. Wang, A. Yoshikawa, Phys. Stat. Sol. B 246, 6 (2009).S. J. Allen, D. C. Tsui, and R. A. Logan, Phys. Rev. Lett. 38, 980 (1977).G. Dresselhaus, A. F. Kip, and C. Kittel, Phys. Rev. 98, 2 (1955).