THz emissionsspektroskopi afslører optisk respons af GaInN/GaN multiple kvantebrønde

Et team af forskere ved Institute of Laser Engineering, Osaka Universitet, i samarbejde med Bielefeld University og Technical University Braunschweig i Tyskland, kom tættere på at afsløre den komplicerede optiske respons af halvleder-kvantebrønde med bred båndgab, og hvordan gittervibrationer i atomskala kan generere frirum terahertz-emission. Deres arbejde giver et betydeligt skub i retning af anvendelsen af ​​laser-terahertz-emissionsmikroskoper til nano-seismologi af kvanteenheder med bred båndgab.

Terahertz (THz) bølger kan genereres af ultrahurtige processer, der forekommer i et materiale. Ved at se på THz-emission, forskere har været i stand til at studere forskellige processer på kvanteniveau - fra simple bulk-halvledere til avancerede kvantematerialer såsom multiple kvantebrønde (fig. 1).

THz-forskningsgruppen ledet af prof. Masayoshi Tonouchi ved Institute of Laser Engineering, Osaka University og hans ph.d. studerende Abdul Mannan, sammen med internationale samarbejdspartnere Prof. Dmitry Turchinovich ved Bielefeld Universitet og Prof. Andreas Hangleiter ved Tekniske Universitet i Braunschweig, har målt multifunktionsrespons i begravede GaInN/GaN multiple quantum brønde (MQW'er), som inkluderer dynamisk screeningseffekt af det indbyggede felt inde i GaInN kvantebrøndene, kapacitiv ladningsoscillation mellem GaN og GaInN kvantebrønde, og akustiske bølgestråler udsendt af spændingsudløsningen mellem GaN og GaInN. Alle disse funktioner kan overvåges ved at observere THz-emission i det frie rum. Ud over, det blev bevist, at de udbredende akustiske bølger giver en ny teknik til at evaluere tykkelsen af ​​begravet struktur i enheder ved en opløsning på 10 nm på wafer-skalaen, gør nano-seismologi til en unik LTEM-applikation til kvanteenheder med brede båndgab.

At sondere begravede strukturer i opto-akustiske enheder ved ultrahøj opløsning er stadig et uudforsket forskningsområde. I nærværende arbejde, akustisk drevet elektromagnetisk THz-emission ind i det frie rum bruges til at sondere GaInN/GaN MQW'er indlejret i GaN-materiale (fig.2(a)). Laser-induceret polarisationsdynamik af ladningsbærere resulterer i en delvis frigivelse af kohærente akustiske fononer (CAP'er) i GaInN/GaN MQW. Denne CAP-impuls, der forplanter sig i et materiale, skaber den tilhørende elektriske polarisationsbølge-pakke. Når den udbredte CAP-impuls støder på diskontinuiteten af ​​akustisk impedans eller piezoelektrisk konstant i strukturen, dette vil føre til den forbigående ændring i den tilhørende elektriske polarisering, som tjener som kilden til den akustisk drevne elektromagnetiske THz-emission til det frie rum. Den tidsmæssige adskillelse mellem ultrahurtig polarisationsdynamik i GaInN/GaN MQW og akustisk drevet THz-emission giver tykkelsen af ​​det CAP-udbredende medium (nano-seismologi) (fig.2(b)).

Specialistteamet organiseret til THz-emissionsspektroskopi, opto-THz videnskab, og bredbåndsgap/kvantebrønd-halvledermaterialevidenskab har taget et væsentligt skridt hen imod 3D dynamisk karakterisering, herunder nedgravede aktive lag i forskellige materialer og enheder. "Et aktivt 3D-værktøj til at karakterisere ultrahurtig bærerdynamik, belastningsfysik, fonon dynamik, og ultrahurtige dielektriske reaktioner lokalt på en ikke-kontakt og ikke-destruktiv måde er blevet et væsentligt forskningsområde for nye materialer og enheder. Vi håber, at det nuværende arbejde bidrager til en sådan udvikling, " siger prof. Masayoshi Tonouchi.