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La regione spettrale dei TeraHertz, (1-10 THz , 300-30 mm) è una finestra rimasta per lungo tempo di difficile accesso per le sorgenti a stato solido, rispetto a quanto è successo nel vicino infrarosso e nelle microonde. Questa situazione è in parte dovuta alle tecnologie concettualmente assai diverse utilizzate per generare radiazione di frequenze maggiori o inferiori al THz. Nell’ambito della fotonica vengono infatti utilizzati dispositivi quantistici di dimensioni maggiori delle lunghezza d’onda, mentre per le microonde oscillatori “classici” in cui la regione attiva è assai più piccola. Recentemente si è sviluppato un forte interesse applicativo per la banda Terahertz (ad esempio per impieghi in spettrometria, diagnosi biomedica e in sistemi avanzati di sicurezza), che ha portato allo sviluppo di vari approcci per generare e rivelare radiazione THz.

La sorgente a semiconduttore più promettente è il Laser Terahertz a Cascata Quantica (THz QCL), nel quale i fotoni vengono generati attraverso transizioni elettroniche intersottobanda tra stati elettronici localizzati in una struttura a pozzi quantici bidimensionale. Queste strutture sono progettate in modo che, quando è applicato un campo elettrico necessario al trasporto di carica, i livelli di pozzi limitrofi siano correttamente allineati per favorire le transizioni necessarie. Questi dispositivi sono realizzati sovrapponendo strati di diversi semiconduttori (nel nostro caso GaAs per i pozzi e AlGaAs per le barriere) al fine di realizzare un’eterostruttura che generi in banda di conduzione una apposita sequenza di pozzi quantici. A causa del carattere planare della struttura, gli elettroni godono comunque di 2 gradi di libertà aggiuntivi nel piano, ed i livelli energetici sono pertanto organizzati in sottobande bidimensionali.

Dalla realizzazione del primo THz QCL sono stati studiati miglioramenti alla struttura a bande e alle cavità di confinamento miranti ad ottenere sorgenti sempre di maggiore qualità e che funzionino a temperatura sempre maggiore. La temperatura tende ad aumentare la corrente di soglia del laser, favorendo canali di decadimento non radiativi assistiti da fononi oltre a quelli comunque presenti dovuti alla presenza di impurezze nel cristallo o all’interazione elettrone-elettrone. La massima temperatura di funzionamento oggi raggiunta è di 174 K per alimentazione impulsata e di 117 K per alimentazione continua. Per andare oltre è stato perciò proposto di esaminare una strategia alternativa: eliminare i decadimenti non radiativi togliendo agli elettroni i 2 gradi di libertà nel piano confinandoli anche lateralmente e generando un sistema 0D.

In questo lavoro di tesi si è ottimizzato un processo di fabbricazione per la realizzazione di un confinamento fisico per gli elettroni. Questo è stato ottenuto scavando una eterostruttura QC fino a formare una matrice di pilastri di diametro variabile al di sotto di 600 nm. Il potenziale generato dalla discontinuità alla superficie del semiconduttore, confina nel piano gli elettroni, eliminando le bande e lasciando possibili solo transizioni tra stati ben definiti le quali non lasciano spazio all’emissione di fononi.

La fabbricazione ha previsto l’utilizzo intensivo di moderne tecniche di nanofabbricazione in camera pulita, litografia elettronica, etching con plasmi ionizzati, evaporazione di metalli. Per la misura elettrica si è poi ottimizzato con successo un processo di riempimento dello spazio eroso tra i pilastri al fine di poter realizzare un contatto elettrico in parallelo tra le loro sommità. Sono state poi effettuate misure di trasporto elettrico su dispositivi con diverso diametro dei pilastri (Fig. 4).

Queste misure ci hanno dimostrato prima di tutto di essere riusciti a realizzare e contattare elettricamente i pilastri, e ci hanno fatto inoltre vedere come la corrente di iniezione per strutture QCL tendenti a 0D si abbassi di 2 ordini di grandezza rispetto al caso 2D. Durante il lavoro di tesi si è poi ottimizzato un processo che utilizza la tecnica della Litografia per Nano Imprint Termico (T-NIL) per le realizzazione del dispositivo. Questo è stato fatto per proporre la T-NIL come candidata quale tecnica industriale per la fabbricazione veloce, ripetibile, accurata e su grande scala del dispositivo implementato durante questo lavoro di tesi.