Ett team av forskare vid Institute of Laser Engineering, Osaka University, i samarbete med Bielefeld University och Technical University Braunschweig i Tyskland, kom närmare att reda ut det komplicerade optiska svaret vid bredbandiga halvledarmultipelkvantbrunnar och hur atomvågsvibrationer kan generera fritt utrymme terahertz-utsläpp. Deras arbete ger en betydande push mot tillämpningen av laser terahertz emissionsmikroskop till nano-seismologi av kvantenheter med breda bandgap.

Terahertz (THz) vågor kan genereras av ultrasnabba processer som sker i ett material. Genom att titta på THz -utsläpp, forskare har kunnat studera olika processer på kvantnivå – från enkla bulkhalvledare till avancerade kvantmaterial som flera kvantbrunnar (Fig.1).

THz-forskargruppen ledd av prof. Masayoshi Tonouchi vid Institutet för laserteknik, Osaka University och hans doktorsexamen student Abdul Mannan, tillsammans med internationella samarbetspartners Prof. Dmitry Turchinovich vid Bielefeld University och Prof. Andreas Hangleiter vid Technical University of Braunschweig, har mätt multifunktionssvar i nedgrävda GaInN/GaN multipla kvantbrunnar (MQW) som inkluderar dynamisk screeningseffekt av det inbyggda fältet inuti GaInN-kvantbrunnarna, kapacitiv laddningsoscillation mellan GaN och GaInN kvantbrunnar, och akustiska vågstrålar som lanseras av spänningsutlösningen mellan GaN och GaInN. Alla dessa funktioner kan övervakas genom att observera THz -utsläpp till ledigt utrymme. Dessutom, det bevisades att de fortplantande akustiska vågorna ger en ny teknik för att utvärdera tjockleken på nedgrävd struktur i enheter med en upplösning på 10 nm på waferskalan, gör nano-seismologi till en unik LTEM-applikation för kvantenheter med breda bandgap.

Att sondera nedgrävda strukturer i opto-akustiska enheter med ultrahög upplösning är fortfarande ett outforskat forskningsområde. I detta arbete, akustiskt driven elektromagnetisk THz -emission till fritt utrymme används för att sondera GaInN/GaN MQWs inklämda i GaN -material (fig 2 (a)). Laserinducerad polarisationsdynamik hos laddningsbärare resulterar i en partiell frisättning av koherenta akustiska fononer (CAP) i GaInN/GaN MQW. Denna CAP-puls som utbreder sig i ett material skapar det tillhörande elektriska polarisationsvågpaketet. När den förökande CAP -pulsen möter diskontinuiteten hos akustisk impedans eller piezoelektrisk konstant i strukturen, detta kommer att leda till den transienta förändringen i den tillhörande elektriska polariseringen, som fungerar som källan för den akustiskt drivna elektromagnetiska THz-emissionen till fritt utrymme. Den tidsmässiga separationen mellan ultrasnabb polarisationsdynamik i GaInN/GaN MQW och akustiskt driven THz-emission ger tjockleken på det CAP-förökande mediet (nano-seismologi) (bild 2 (b)).

Specialistteamet organiserat för THz-emissionsspektroskopi, opto-THz vetenskap, och bredbandig/kvantbrunnig halvledarmaterialvetenskap har gjort ett betydande steg mot dynamisk 3D-karakterisering, inklusive nedgrävda aktiva lager i olika material och anordningar. "Ett aktivt 3D-verktyg för att karakterisera ultrasnabb bärardynamik, belastningsfysik, fonon dynamik, och ultrasnabba dielektriska svar lokalt på ett beröringsfritt och icke-förstörande sätt har blivit ett viktigt forskningsområde för nya material och anordningar. Vi hoppas att det nuvarande arbetet bidrar till en sådan utveckling, " säger prof. Masayoshi Tonouchi.