Un team di ricercatori dell'Istituto di Ingegneria Laser, Università di Osaka, in collaborazione con l'Università di Bielefeld e la Technical University Braunschweig in Germania, si è avvicinato a svelare la complicata risposta ottica dei pozzi quantistici multipli a semiconduttore a banda larga e come la vibrazione del reticolo su scala atomica può generare emissioni terahertz nello spazio libero. Il loro lavoro fornisce una spinta significativa verso l'applicazione dei microscopi a emissione laser terahertz alla nanosismologia di dispositivi quantistici a banda larga.

Le onde terahertz (THz) possono essere generate da processi ultraveloci che si verificano in un materiale. Osservando l'emissione di THz, i ricercatori sono stati in grado di studiare diversi processi a livello quantistico, da semplici semiconduttori di massa a materiali quantistici avanzati come più pozzi quantistici (Fig.1).

Il gruppo di ricerca THz guidato dal Prof. Masayoshi Tonouchi presso l'Institute of Laser Engineering, Università di Osaka e il suo dottorato di ricerca. studente Abdul Mannan, insieme ai collaboratori internazionali Prof. Dmitry Turchinovich presso l'Università di Bielefeld e Prof. Andreas Hangleiter presso l'Università Tecnica di Braunschweig, ha misurato la risposta multifunzione in pozzi quantistici multipli GaInN/GaN (MQW) sepolti che include l'effetto di schermatura dinamica del campo integrato all'interno dei pozzi quantici GaInN, oscillazione di carica capacitiva tra i pozzi quantici di GaN e GaInN, e fasci di onde acustiche lanciati dal rilascio di stress tra GaN e GaInN. Tutte queste funzioni possono essere monitorate osservando l'emissione di THz nello spazio libero. Inoltre, è stato dimostrato che le onde acustiche propaganti forniscono una nuova tecnica per valutare lo spessore della struttura sepolta in dispositivi alla risoluzione di 10 nm sulla scala del wafer, rendere la nanosismologia un'applicazione LTEM unica per dispositivi quantistici a banda larga.

Il sondaggio di strutture sepolte in dispositivi opto-acustici ad altissima risoluzione è ancora un'area di ricerca inesplorata. Nel presente lavoro, l'emissione THz elettromagnetica guidata acusticamente nello spazio libero viene utilizzata per sondare i MQW GaInN/GaN inseriti in materiale GaN (Fig.2 (a)). La dinamica di polarizzazione indotta dal laser dei portatori di carica determina un rilascio parziale di fononi acustici coerenti (CAP) in GaInN/GaN MQW. Questo impulso CAP che si propaga all'interno di un materiale crea il pacchetto d'onda di polarizzazione elettrica associato. Una volta che l'impulso CAP propagante incontra la discontinuità dell'impedenza acustica o della costante piezoelettrica all'interno della struttura, questo porterà al cambiamento transitorio nella polarizzazione elettrica associata, che funge da fonte dell'emissione THz elettromagnetica guidata acusticamente nello spazio libero. La separazione temporale tra la dinamica di polarizzazione ultraveloce in GaInN/GaN MQW e l'emissione THz guidata dall'acustica fornisce lo spessore del mezzo di propagazione della CAP (nanosismologia) (Fig.2(b)).

Il team di specialisti organizzato per la spettroscopia di emissione THz, scienza opto-THz, e la scienza dei materiali dei semiconduttori a banda larga/quantum well ha fatto un passo significativo verso la caratterizzazione dinamica 3D, compresi strati attivi sepolti in vari materiali e dispositivi. "Uno strumento attivo 3D per caratterizzare la dinamica portante ultraveloce, fisica della deformazione, dinamica fononica, e le risposte dielettriche ultraveloci localmente in modo senza contatto e non distruttivo sono diventate un'area essenziale di ricerca per nuovi materiali e dispositivi. Ci auguriamo che il presente lavoro contribuisca a tale evoluzione, " dice il Prof. Masayoshi Tonouchi.