Een team van onderzoekers van het Institute of Laser Engineering, Universiteit van Osaka, in samenwerking met de Universiteit van Bielefeld en de Technische Universiteit Braunschweig in Duitsland, kwam dichter bij het ontrafelen van de gecompliceerde optische respons van breedbandige halfgeleiders met meerdere kwantumbronnen en hoe roostertrillingen op atomaire schaal terahertz-emissie in de vrije ruimte kunnen genereren. Hun werk geeft een belangrijke duw in de richting van de toepassing van laser-terahertz-emissiemicroscopen op nano-seismologie van kwantumapparaten met een brede bandgap.

Terahertz (THz)-golven kunnen worden gegenereerd door ultrasnelle processen die in een materiaal plaatsvinden. Door te kijken naar THz-emissie, onderzoekers hebben verschillende processen op kwantumniveau kunnen bestuderen - van eenvoudige bulkhalfgeleiders tot geavanceerde kwantummaterialen zoals meerdere kwantumbronnen (Fig.1).

De THz-onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Masayoshi Tonouchi van het Institute of Laser Engineering, Osaka University en zijn Ph.D. student Abdul Mannan, samen met internationale medewerkers Prof. Dmitry Turchinovich aan de Universiteit van Bielefeld en Prof. Andreas Hangleiter aan de Technische Universiteit van Braunschweig, heeft de multifunctionele respons gemeten in begraven GaInN/GaN meervoudige kwantumputten (MQW's), waaronder een dynamisch screeningseffect van het ingebouwde veld in de GaInN-kwantumputten, capacitieve ladingsoscillatie tussen GaN- en GaInN-kwantumbronnen, en akoestische golfbundels gelanceerd door de spanningsafgifte tussen GaN en GaInN. Al deze functies kunnen worden gecontroleerd door THz-emissie in de vrije ruimte te observeren. In aanvulling, het is bewezen dat de zich voortplantende akoestische golven een nieuwe techniek bieden om de dikte van begraven structuren in apparaten te evalueren met een resolutie van 10 nm op de wafelschaal, waardoor nano-seismologie een unieke LTEM-toepassing wordt voor quantumapparaten met een brede bandgap.

Het onderzoeken van begraven structuren in opto-akoestische apparaten met ultrahoge resolutie is nog een onontgonnen onderzoeksgebied. In het huidige werk, akoestisch aangedreven elektromagnetische THz-emissie in de vrije ruimte wordt gebruikt voor het sonderen van GaInN / GaN MQW's ingeklemd in GaN-materiaal (Fig. 2 (a)). Laser-geïnduceerde polarisatiedynamiek van ladingsdragers resulteert in een gedeeltelijke afgifte van coherente akoestische fononen (CAP's) in GaInN/GaN MQW. Deze CAP-puls die zich in een materiaal voortplant, creëert het bijbehorende elektrische polarisatiegolfpakket. Zodra de zich voortplantende CAP-puls de discontinuïteit van akoestische impedantie of piëzo-elektrische constante binnen de structuur tegenkomt, dit zal leiden tot de tijdelijke verandering in de bijbehorende elektrische polarisatie, die dient als de bron van de akoestisch aangedreven elektromagnetische THz-emissie in de vrije ruimte. De tijdelijke scheiding tussen ultrasnelle polarisatiedynamiek in GaInN / GaN MQW en akoestisch aangedreven THz-emissie geeft de dikte van het CAP-voortplantende medium (nano-seismologie) (Fig. 2 (b)).

Het gespecialiseerde team organiseerde voor THz-emissiespectroscopie, opto-THz wetenschap, en wide-bandgap/quantum-well halfgeleidermateriaalwetenschap heeft een belangrijke stap gezet in de richting van dynamische 3D-karakterisering, inclusief begraven actieve lagen in verschillende materialen en apparaten. "Een actieve 3D-tool om ultrasnelle dragerdynamiek te karakteriseren, spanningsfysica, fonon dynamiek, en ultrasnelle diëlektrische reacties lokaal op een contactloze en niet-destructieve manier is een essentieel onderzoeksgebied geworden voor nieuwe materialen en apparaten. We hopen dat het huidige werk bijdraagt ​​aan een dergelijke evolutie, " zegt prof. Masayoshi Tonouchi.