Terahertz Nanoprobing of Semiconductor Surface Dynamics

반도체 표면에서의 전자는 벌크에서의 전자보다 짧은 수명을 가지는데, 이는 부피 대 표면적의 비율이 큰 나노크기의 반도체 물질에서 주로 관측되었다. 본 연구에서는 나노 안테나를 벌크 반도체 위에 제작하여 반도체 표면에서의 전자 동역학을 비파괴적으로 측정하였다. 안테나 주변에서 테라헤르츠 파의 강한 집속이 일어나는데 이를 이용하여 벌크 반도체에서도 표면 전자의 동역학만을 선택적으로 관찰할 수 있다. 이로부터 벌크에서의 전자수명이 나노초 단위인 반도체에서 1 피코초의 표면 전자 동역학을 확인하였고, 나노 안테나를 제거한 후 다시 원래의 벌크 반도체의 전자 동역학이 돌아오는 것을 보였다. 본 연구에서 제안된 비파괴적 반도체 표면 동역학 측정은 나노 구조를 이용한 반도체 표면 특성을 측정하고 이해하는데 기반을 마련하고 표면에서의 짧은 전자수명을 이용한 초고속 스위칭 소자 개발에 발판이 될 것으로 기대된다.

AUTHORS: Geunchang Choi, Young-Mi Bahk, Taehee Kang, Yoojin Lee, Byung Hee Son, Yeong Hwan Ahn, Minah Seo, and Dai-Sik Kim

ABSTRACT: Most semiconductors have surface dynamics radically different from its bulk counterpart due to surface defect, doping level, and symmetry breaking. Because of the technical challenge of direct observation of the surface carrier dynamics, however, experimental studies have been allowed in severely shrunk structures including nanowires, thin films, or quantum wells where the surface-to-volume ratio is very high. Here, we develop a new type of terahertz (THz) nanoprobing system to investigate the surface dynamics of bulk semiconductors, using metallic nanogap accompanying strong THz field confinement. We observed that carrier lifetimes of InP and GaAs dramatically decrease close to the limit of THz time resolution (∼1 ps) as the gap size decreases down to nanoscale and that they return to their original values once the nanogap patterns are removed. Our THz nanoprobing system will open up pathways toward direct and nondestructive measurements of surface dynamics of bulk semiconductors.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03289