Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Engenharia de Laser, Universidade de Osaka, em colaboração com a Bielefeld University e a Technical University Braunschweig na Alemanha, chegou mais perto de desvendar a resposta óptica complicada de poços quânticos de semicondutores de largo bandgap e como a vibração da rede em escala atômica pode gerar emissão de terahertz no espaço livre. Seu trabalho fornece um impulso significativo para a aplicação de microscópios de emissão de laser terahertz para nano-sismologia de dispositivos quânticos de largo bandgap.

Ondas Terahertz (THz) podem ser geradas por processos ultrarrápidos que ocorrem em um material. Ao olhar para a emissão de THz, os pesquisadores foram capazes de estudar diferentes processos no nível quântico - de semicondutores a granel simples a materiais quânticos avançados, como poços quânticos múltiplos (Fig.1).

O grupo de pesquisa THz liderado pelo Prof. Masayoshi Tonouchi no Instituto de Engenharia de Laser, Universidade de Osaka e seu Ph.D. estudante Abdul Mannan, junto com os colaboradores internacionais Prof. Dmitry Turchinovich na Bielefeld University e Prof. Andreas Hangleiter na Technical University of Braunschweig, mediu a resposta multifuncional em poços quânticos múltiplos GaInN / GaN enterrados (MQWs), que inclui o efeito de triagem dinâmica do campo integrado dentro dos poços quânticos GaInN, oscilação de carga capacitiva entre poços quânticos GaN e GaInN, e feixes de ondas acústicas lançados pela liberação de tensão entre GaN e GaInN. Todas essas funções podem ser monitoradas pela observação da emissão de THz no espaço livre. Além disso, foi comprovado que as ondas acústicas propagantes fornecem uma nova técnica para avaliar a espessura de estruturas enterradas em dispositivos na resolução de 10 nm na escala wafer, tornando a nano-sismologia um aplicativo LTEM exclusivo para dispositivos quânticos de largo bandgap.

A sondagem de estruturas enterradas em dispositivos optoacústicos em ultra-alta resolução ainda é uma área de pesquisa inexplorada. No presente trabalho, A emissão de THz eletromagnética acusticamente conduzida no espaço livre é utilizada para sondar GaInN / GaN MQWs imprensado em material GaN (Fig.2 (a)). A dinâmica de polarização induzida por laser de portadores de carga resulta em uma liberação parcial de fônons acústicos coerentes (CAPs) em GaInN / GaN MQW. Este pulso CAP que se propaga dentro de um material cria o pacote de onda de polarização elétrica associado. Uma vez que o pulso CAP de propagação encontra a descontinuidade da impedância acústica ou constante piezoelétrica dentro da estrutura, isso levará à mudança transitória na polarização elétrica associada, que serve como fonte da emissão de THz eletromagnética acusticamente conduzida para o espaço livre. A separação temporal entre a dinâmica de polarização ultrarrápida em GaInN / GaN MQW e a emissão THz acusticamente conduzida dá a espessura do meio de propagação do CAP (nano sismologia) (Fig.2 (b)).

A equipe especializada organizada para espectroscopia de emissão THz, ciência opto-THz, e a ciência de material semicondutor de poços quânticos / bandgap amplo deu um passo significativo em direção à caracterização dinâmica 3D, incluindo camadas ativas enterradas em vários materiais e dispositivos. "Uma ferramenta ativa 3D para caracterizar a dinâmica de portadora ultrarrápida, tensão física, dinâmica de fonon, e respostas dielétricas ultrarrápidas localmente de maneira sem contato e não destrutiva tornaram-se uma área essencial de pesquisa para novos materiais e dispositivos. Esperamos que o presente trabalho contribua para tal evolução, "diz o Prof. Masayoshi Tonouchi.