RICERCA ITALIANA     

Generazione di radiazione THz in eterostrutture Si-Ge unipolari

Scuola Normale Superiore di Pisa

Abstract

La ricerca sull’ingegnerizzazione degli stati elettronici in eterostrutture di silico-germanio per la realizzazione di dispositivi fotonici unipolari basati su transizioni intersottobanda sta recentemente attraendo un interesse considerevole.
La motivazione ha origine solo in parte dal sogno ormai di lunga data di integrare a livello del chip funzionalità ottiche nella tecnologia basata sul Si dei circuiti elettronici. Da questo punto di vista la possibilità offerta dai laser a cascata quantica (QC) di aggirare le limitazioni dei materiali del gruppo IV a gap indiretto come emettitori di luce interbanda rappresenta un’opportunità molto attraente.
Più recentemente, un altro importante impulso in questa direzione è giunto dalla necessità di migliorare la tecnologia QC per il range di frequenze THz. Questi dispositivi stanno rapidamente innovando il campo della fotonica THz, rendendo possibili una serie di nuove applicazioni ricche di possibili opportunità commerciali. Tuttavia esiste ancora una limitazione importante nelle temperature criogeniche al momento richieste per il loro funzionamento. Le eterostrutture del gruppo IV sono state identificate come una soluzione ideale; essendo non polari, l’interazione egli elettroni con i fononi ottici longitudinali è infatti soppressa. Questo processo è alla base del rilassamento elettronico intersottobanda e, probabilmente, all’origine del rapido decremento dell’inversione di popolazione con l’aumento >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fabio Beltram Scuola Normale Superiore di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto mira a sviluppare emettitori THz a cascata quantica (QC) nel sistema materiale del Silicio/Germanio. L’attività è caratterizzata dal fatto che per la prima volta in questo materiale verranno utilizzate transizioni intersottobanda nella banda di conduzione per generare la radiazione. Lo scopo è di superare tutte le complicazioni legate invece alla banda di valenza, dove la presenza di stati di buca pesante, leggera, e split-off, rende il disegno di strutture QC funzionanti un compito estremamente difficile.
La novità di questo approccio si traduce naturalmente in un numero di aspetti inesplorati che dovranno essere investigati, portando perciò alla definizione di vari co-obiettivi di grande rilevanza scientifica che intendiamo raggiungere nel corso del programma.
Nella banda di conduzione sono disponibili due diverse opzioni per il disegno della regione attiva di un struttura QC THz. La rima è di usare stati nella valle della linea Delta, che significa utilizzare pozzi in Si e barriere SiGe ricche in Si. La seconda invece consiste nel lavorare al punto L della zona di Brillouin, che richiede l’utilizzo di pozzi in Ge e barriere SiGe ricche in Ge. Sulla carta la seconda opzione sembra chiaramente preferibile, a causa della massa efficace elettronica che è molto più bassa al punto L, cosa che si traduce in coefficienti di guadagno intersottobanda più elevati. Questa configurazione, tuttavia, non è molto ben conosciuta >>>

Risultati parziali attesi

La fotonica nel THz rappresenta al momento una delle aree di ricerca di rilevanza tecnologica in più rapido sviluppo. Questa regione spettrale rappresenta il ponte d’unione tra il mondo dell’ottica e quello dell’elettronica, e dopo esser stata trascurata per anni sta motivando la comparsa di un gran numero di nuove applicazioni.
Queste ultime si possono raggruppare in due categorie: acquisizione di immagini e sensoristica. La prima attrae interesse a causa della scarsa diffusione della radiazione THz nei materiali disomogenei, mentre la seconda ha grosse potenzialità poiché molte molecole complesse posseggono in questo range spettrale caratteristiche linee di assorbimento roto-vibrazionali. Sono stati già individuati svariati settori dove dei sistemi THz possono fornire capacità d’analisi peculiari. Controlli di sicurezza basati su radiazione THz sono oggetto di ricerca assai attiva, dal momento che offrono la possibilità di rivelare armi nascoste, o minacce di natura esplosiva/chimica anche a distanze relativamente grandi (20-30 m).
L’analisi non-distruttiva di prodotti farmaceutici per eseguire un controllo di qualità nella catena di produzione rappresenta al momento il mercato principale per i sistemi THz commerciali. Sensori biologici basati sul THz, in grado di trovare applicazione nella futura generazione di chip proteici e di DNA sono oggetto di diversi progetti di ricerca nazionali e internazionali. Un apparato di acquisizione di immagini basato sul THz >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Lo sviluppo dei laser THz a cascata quantica (QC) nei cinque anni trascorsi dalla loro prima dimostrazione [1] è stato fenomenale [2]. Nuovi concetti per la regione attiva sono stati ideati per migliorare la struttura a superreticolo graduato originale. Quelli di maggior successo impiegano transizioni diagonali nello spazio reale da stati localizzati a minibande (bound-to-continuum) [3], o sfruttano l’emissione risonante di fononi ottici come meccanismo per lo svuotamento della sottobanda inferiore della transizione laser, facendo uso di regioni spazialmente separate per il rilassamento elettronico radiativo e non-radiativo [4,5]. In parallelo, l’ingegnerizzazione delle guide d’onda e le relative tecniche di fabbricazione sono anch’esse progredite. Attualmente i dispositivi in cui il modo elettromagnetico è fortemente confinato tra due strati metallici sono comunemente utilizzati, dal momento che queste guide d’onda forniscono di gran lunga il miglior rapporto tra fattore di confinamento e perdite, nonostante richiedano per la realizzazione processi abbastanza complessi quali il bondaggio della parte epitassiale per la rimozione del substrato originario [6]. Grazie a questi sviluppi, la temperatura massima di operazione è stata costantemente innalzata fino al record attuale di quasi 170 K [7]. Il range delle frequenze laser è stato pure continuamente esteso, e laser QC che emettono vicino ad 1 THz sono stati recentemente dimostrati [8]. Le eccellenti prestazioni di questi >>>