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太赫兹发射光谱揭示氮化铟镓/氮化镓多量子阱的光学响应
发布时间:2021-06-07 20:02:41 阅读:199

来源:日本大阪大学;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 黄勇 编译

图1:光学产生的声应变波,在介质表面传播并向自由空间辐射太赫兹波。(来源:大阪大学)

    来自大阪大学激光工程研究所的科研团队通过与德国比勒菲尔德大学和布伦瑞克技术大学的合作,进一步揭示了宽带隙半导体多量子阱复杂的光学响应以及原子尺度下的晶格振动如何产生自由空间中的太赫兹辐射。他们的工作有力地推动了激光太赫兹发射显微镜在宽带隙量子器件的纳米地震学中的应用。

    太赫兹波可以被材料中的超快过程产生,通过观测太赫兹波的辐射,研究人员已经可以在量子水平上研究不同的过程,从简单的块状半导体到先进的量子材料,如多量子阱 (图1)。

    由大阪大学激光工程研究所的Masayoshi Tonouchi教授和他的博士生Abdul Mannan带领的太赫兹团队与比勒菲尔德大学的Dmitry Turchinovich教授和布伦瑞克技术大学的Andreas Hangleiter教授合作,成功地测量了氮化铟镓/氮化镓多量子阱中的多重响应,包括氮化铟镓量子阱中内置场的动态屏蔽效应、氮化镓和氮化铟镓量子阱之间的电容电荷振荡以及氮化镓和氮化铟镓之间的应力释放产生的声波。这些响应都可以通过观测自由空间中的太赫兹辐射进行检测。此外,已经证实传播的声波可以提供一种在晶片尺度上分辨率为10纳米的新技术用于检测器件中掩埋结构的厚度,这使得宽带隙量子器件的纳米地震学成为LTEM的一个独特应用。

图2:a通过观测自由空间太赫兹波的发射谱来检查夹在氮化镓层之间的量子阱。b:一个典型的MQW样品的太赫兹发射谱。(来源:大阪大学)

    光声结构中的掩埋结构的超高分辨率探测是一个急需探索的研究领域。在当前的工作中,声学驱动的电磁太赫兹辐射被用于探测氮化镓夹层中的氮化镓/氮化铟镓多量子阱(如图二a所示)。激光诱导电荷载流子的极化动力学导致了氮化镓/氮化铟镓多量子阱的的相干声学声子(CAP)部分释放。这种相干声学声子(CAP)在材料中传播会产生相关极化的波群。相干声学声子(CAP)在传播过程中一旦遇到结构内声阻抗或压电常数的不连续时,就会导致相关极化的瞬变,这种极化瞬变就是声学驱动的自由空间太赫兹辐射的源。通过氮化镓/氮化铟镓多量子阱中的超快极化瞬变的时间间隔和声学驱动的太赫兹辐射可以测得相干声学声子传播介质的厚度(图二b所示)。

    来自太赫兹辐射光谱学、光太赫兹科学和宽带隙/量子阱半导体材料学的专家团队已经向三维动态表征迈出了重要的一步,包括这种材料和器件中的有源掩埋层。Masayoshi Tonouchi.教授说:“一种具有局部非接触、无损特性用于表征超快载流子动力学、应变物理学、声子动力学和超快介质响应的三维主动式工具已经成为了必须的研究领域对于新材料和新器件的研究,我们希望当前的工作有助于这种演变”。

 
 

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