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TeraLaser
Nel dettaglio
TeraLaser: Benvenuto
I laser a cascata quantica differiscono dai laser semiconduttori convenzionali sia nel modo in cui viene prodotta la luce che nelle lunghezze d’onda emesse. I QCL sono infatti dispositivi unipolari, questo significa che solo gli elettroni o le lacune sono coinvolti nel processo di generazione dei fotoni. L'emissione di luce avviene attraverso transizioni ottiche intersottobanda che si verificano tra stati elettronici quantizzati all'interno della banda di conduzione o della banda di valenza, rispettivamente. Ne segue che a differenza dei dispositivi come i laser a diodi nei quali l'emissione di luce è prodotta dalla ricombinazione di una coppia elettrone-lacuna, in cui l'energia dei fotoni è in gran parte definita dalla gap nel materiale, nei QCL l’energia di emissione è determinata dall’ingegnerizzazione delle eterostrutture comprendenti buche quantiche nanometriche. Infatti la differenza di energia tra i livelli quantizzati dell’emissione laser può essere scelta e fissata variando lo spessore e la composizione degli strati che formano la struttura.
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I QCL generalmente operano nella gamma di frequenze infrarosse e THz. Sono formati da una disposizione periodica di strati di composizione variabile, dove ogni periodo è composto da una serie di buche quantiche separate da barriere tunnel. Quando una corrente elettrica attraversa la struttura, gli elettroni (o lacune) passando attraverso la struttura emettono un fotone in ciascuno dei periodi che la compongono, da cui il nome di cascata quantica. A causa di questo processo a cascata, i QCL superano i laser a diodo di pari lunghezza d'onda di oltre un fattore 1000 per quanto riguarda l'efficienza di singola particella iniettata.
I laser a cascata quantica sono stati realizzati per la prima volta nel 1994, sfruttando semiconduttori III-V. La natura polare di questi materiali implica però importanti limitazioni nell’intervallo spettrale del THz: non è possibile avere una frequenza di emissione nel range tra 5 e 10 THz ed è necessario raffreddare il dispositivo per farlo operare efficacemente. Inoltre, la difficoltà intrinsica insita nell'integrazione di semiconduttori di tipo III-V con la tecnologia CMOS costituisce un serio limite per l'impiego dei QCL, mantenendone il costo elevato.
TeraLaser mira a sviluppare una sorgente THz economica, compatta e performante, compatibile con la tecnologia CMOS e che operi nel range spettrale 1- 10 THz, con una potenza di emissione >1mW. In particolare ci promettiamo di ingegnerizzare e sviluppare un laser a cascata quantica (QCL) utilizzando elementi del IV gruppo (Ge, Si, SiGe).
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La sorgente THz proposta da TeraLaser sarà costituita da un laser a cascata quantica basato su transizioni elettroniche intersottobanda nella banda di conduzione di buche quantiche di Ge in eterostrutture Ge/SiGe integrate su wafer di silicio. La realizzazione di questo tipo di dispositivo è ostacolata vari fattori.
Innanzitutto l’alto disaccordo reticolare presente tra Si e Ge rende l’eteroepitassia di strutture di alta qualità cristallina estremamente complicata per l’accumulo di stress elastico con conseguente formazione di difetti, quali dislocazioni, legati al rilassamento plastico della struttura. Per minimizzare la densità di dislocazioni nella regione attiva della struttura è necessario ottimizzare la deposizione sul Si di substrati virtuali di SiGe con una concentrazione di Ge>90% e “ingegnerizzare” il bilanciamento dello strain elastico negli strati di buca e di barriera della struttura QCL.
Un'ulteriore difficoltà di tale sistema materiale deriva dall’esigenza di ottenere interfacce nette su scala atomica tra buche e barriere. Risulta critica anche la riproducibilità della crescita, sia per quanto riguarda la velocità di deposizione che la composizione del materiale su spessori di diversi micron, visto che la regione attiva è composta da (tipicamente) centinaia di ripetizioni di periodi identici formati ciascuno da svariati strati diversi di spessore nanometrico.
Infine, per ottenere un dispositivo funzionante, risulta necessario integrare con successo guide d’onda, mezzo attivo e iniezione elettrica attraverso contatti ohmici. Affinchè il QCL funzioni correttamente, il guadagno della zona attiva deve superare le perdite ottiche della guida d'onda.
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L'obbiettivo di TeraLaser è di risolvere queste criticità, ottimizzando la qualità cristallina delle strutture QCL sia in termini di riduzione dei difetti del substrato virtuale, che di qualità strutturale su scala atomica delle eterostrutture Ge/SiGe. Il progetto mira ad ottenere una elevata riproducibilità del periodo lungo l'intero spessore della zona attiva e a sviluppare, ingegnerizzare e fabbricare guide d’onda nel THz con limitate perdite ottiche.
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