1.2 Obbiettivo del Lavoro di Tesi . . . . 5

Indice

1 Introduzione 3

1.1 Radiazione Terahertz . . . . 3

1.2 Obbiettivo del Lavoro di Tesi . . . . 5

2 Emettitori Terahertz a cascata quantica a bassa dimension- alità 9 2.1 Introduzione . . . . 9

2.2 Struttura a bande . . . 10

2.3 Densità degli stati . . . 12

2.4 Transizioni Intersottobanda e Laser a Cascata Quantica . . . . 14

2.4.1 Transizioni Radiative . . . 15

2.4.2 Cascata Quantica . . . 17

2.5 Laser THz . . . 19

2.5.1 Disegno dell'esterostruttura . . . 20

2.5.2 Guida d'onda . . . 22

2.5.3 Funzionamento ad alta temperatura . . . 25

2.6 Connamento multidimensionale . . . 28

3 Fabbricazione 33 3.1 Progetto . . . 33

3.2 Litograa . . . 34

3.2.1 Litograa a fascio di elettroni . . . 36

3.2.2 Evaporazione e lift-o . . . 37

3.3 Etching . . . 37

3.3.1 ICP-RIE . . . 40

3.3.2 RIE . . . 41

3.4 Contatto Elettrico . . . 41

3.5 Planarizzazione con Cyclotene

. . . 46

3.5.1 Applicazione . . . 47

3.5.2 Trattamento termico . . . 47

3.5.3 Etching . . . 48

INDICE 1

3.5.4 Rimozione del Nichel . . . 49

3.6 Contatto Elettrico . . . 49

4 Misure di Trasporto 55 4.1 Zona di svuotamento . . . 57

4.2 Apparato di Misura caratteristica I-V . . . 58

4.3 Dispositivo I . . . 62

4.4 Dispositivo II . . . 65

4.5 Dispositivo III . . . 67

4.6 Misure di Elettroluminescenza . . . 69

5 Utilizzo di T-NIL per la fabbricazione di Nanoemettitori THz QC 71 5.1 T-NIL . . . 71

5.1.1 La mold . . . 73

5.1.2 Scelta del resist . . . 76

5.1.3 Stampaggio . . . 77

5.2 Fabbricazione di Nano Emettitori QC con NIL Termica . . . . 79

5.2.1 Realizzazione dello stampo . . . 79

5.2.2 Trattamento Anti Adesione . . . 81

5.2.3 Scelta e applicazione del resist . . . 85

5.2.4 Stampaggio . . . 85

5.3 Risulati . . . 89

6 Conclusioni e Prospettive 93 6.1 QCL con Atomi Articiali . . . 93

A Ricetta di Fabbricazione del Dispositivo 99

B Ricetta Fabbricazione Dispositivo con NIL 103

Bibliograa 106

2 INDICE

Capitolo 1 Introduzione

1.1 Radiazione Terahertz

La regione spettrale del TeraHertz (1-10 THz , 300-30 µm) rappresenta un'ul- tima fetta ancora poco esplorata dello spettro elettromagnetico. L'impos- sibilità di disporre di sorgenti sucientemente intense di questo intervallo di lunghezze d'onda ha impedito in passato lo sviluppo molte applicazioni in quello che il letteratura viene chiamato Terahertz gap: situato tra le microonde e l'infrarosso (1.1).

L'interesse per la regione spettrale del Terahertz non è solo dettata dalla volontà di raggiungere un traguardo tecnologico, ma è anche guidata da molte necessità pratiche che fanno arrivare richieste di sorgenti di luce THz da molti ambiti di ricerca.

- Nelle regione spettrale del THz hanno la loro riga di assorbimento alcune molecole pericolose, come l'antrace, droghe, o composti esplosivi come il C4. Tutti questi elementi contenuti anche all'interno di buste, pac- chi o indumenti illuminati da radiazione THz risultano di immediata rilevazione. Il metallo o la ceramica riettono il THz e questo ne per- mette la facile individuazione al di sotto di indumenti, dentro a borse, o contenitori plastici che risultano trasparenti a questa radiazione (Fig.

1.2-D).

- La spettroscopia è interessata alla radiazione Terahertz in quanto molte

specie molecolari presentano la loro linea di assorbimento in questa

regione. Ad esempio è possibile pensare a dispositivi che permettono

di analizzare con precisione e ripetutamente anche piccolissime quantità

di DNA con la possibilità di distinguere se la doppia catena si trova

nella congurazione unita (Ibridizato) o separata (Denaturato) (Fig.

4 Introduzione

Figura 1.1: Rappresentazione dello spettro elettromagnetico

1.2-C). Con la radiazione THz è possibile distinguere con precisione due molecole farmaceutiche chimicamente molto simili. Questo è utile nel processo di controllo di qualità del farmaco, consentendo di conoscere con precisione le quantità di principio attivo realmente inserito in una pillola senza dover attendere i più lunghi test chimici di laboratorio.

- L'ambito biomedico è forse il campo dove si avranno i maggiori beneci dall'utilizzo della radiazione THz o raggi T, come vengono chiamati spesso nelle pubblicazioni in questo settore. In Fig. 1.2-B si vede il primo strumento commerciale per l'imaging con raggi T. L'acquisizione di immagini avviene per riessione: il sensore raccoglie la radiazione riessa dall'oggetto illuminato con radiazione THz. Per i raggi T la dierenza di densità di acqua nei tessuti biologici rappresenta un mezzo di contrasto suciente per poter distinguere tipi diversi di tessuto. A questo poi va aggiunto che i raggi T non sono ionizzanti e quindi non rappresentano un rischio per le cellule come succede invece per i raggi X.

In Fig. 1.3 e 1.4 sono riportate delle immagini prese da una pubbli- cazione di radiologia [1] nella quale si riporta un'accurato studio su immagini THz di tessuti umani contenenti cellule tumorali del seno.

Usando il sistema di imaging commerciale della TeraView (Fig. 1.2-B)

si sono confrontate immagini THz ed immagini usate per comuni diag-

nosi istologiche. Il risultato è che nel 90% dei casi con l'immagine THz

il contorno dell'area in cui era esteso il tumore è più preciso e il det-

taglio dell'immagine migliore. Grazie al fatto di lavorare in riessione e

non in trasmissione (come negli esami al microscopio ottico dei vetrini)

è possibile pensare a future applicazioni direttamente in sala operato-

ria: dare al chirurgo una vista nel THz dell'area su cui sta operando

gli consentirebbe di selezionare con maggiore precisione il tessuto da

rimuovere lasciando quello sano (scelta che oggi viene lasciata in parte

1.2 Obbiettivo del Lavoro di Tesi 5

anche all'esperienza del medico).

- Come ogni tecnologia avanzata che si rispetti, la radiazione THz trova molte applicazioni anche in campo militare, ad esempio per sistemi di comunicazione sicuri a banda larga.

1.2 Obbiettivo del Lavoro di Tesi

Ad oggi la radiazione THz viene prodotta sia con dispositivi elettronici (an- tenne molto sosticate e/o componenti ottici non lineari), che con sistemi a stato solido (con i quali sono state realizzate sorgenti laser). Questo lavoro di tesi si colloca all'interno della ricerca mirata a migliorare l'ecienza dei sis- temi Laser THz a stato solido. In particolare lo studio riguarda sistemi che, all'interno di eterostrutture di semiconduttori, sfruttano transizioni elettron- iche intersottobanda secondo il principio dei laser a cascata quantica (THz QCL).

Nel capitolo 1 si parlerà dei principi di funzionamento dei dispositivi a Cascata Quantica introducendo le problematiche legate alla generazione della radiazione THZ. Si evidenzieranno i limiti operativi raggiunti, introducendo una possibile soluzione proposta in letteratura.

Nel capitolo 2 si descriverà l'ottimizzazione del processo di fabbricazione di un dispositivo emettitore a Cascata Quantica nella regione del THz, che utilizza un connamento sico 3D per gli elettroni. Lo sviluppo del processo di fabbricazione e misura di questo dispositivo è stato oggetto di questo lavoro di tesi. Le misure di trasporto elettrico sono raccolte nel capitolo 3.

La realizzazione di pilastri su grandi aree prevede lunghi tempi di fabbri- cazione soprattutto di litograa; per questo nel capitolo 5 si propone un pro- cesso per la realizzazione dei pilastri su grandi aree utilizzando la Litograa per Nanoimprint Termico.

Nel capitolo 4 sono riportate le conclusioni ed è presentato uno studio per l'utilizzo del mezzo attivo a pilastri fabbricato per la realizzazione di un laser.

In appendice sono riportati i dettagli tecnici dei processi ottimizzati in

questo lavoro di tesi.

6 Introduzione

Figura 1.2: A- Immagine THz di un dente, www.bessy.de B- Spet-

trometro e sistema di imaging THz commerciale prodotto dalla TeraView,

www.teraview.com C- Spettroscopia di DNA nel THz, si vede il diverso as-

sorbimento delle due forme. (RWTH Aachen, Germany). E- Immagine THz

che evidenzia la presenza di dispositivi pericolosi nascosti sotto a indumento

(a sinistra) e dentro il tacco di una scarpa (a destra).

1.2 Obbiettivo del Lavoro di Tesi 7

Figura 1.3: Tessuto umano contenete cellule tumorali. A-Immagine colorata per analisi istologica. B,C-Immagini acquisite nel THz e rappresentate con due diversi metodi di elaborazione del contrasto. Si vede come l'immagine acquisita nel THz ora molti più dettagli della classica immagine ottica pur essendo la risoluzione di acquisizione di soli 75x75 pixel su un'area di 20x20 mm.

Figura 1.4: A-Immagine di tessuto umano contenete cellule tumorali. B-

Stessa immagine di A acquisita nel THz. C,D-Risultati dell'analisi numerica

delle immagini A e B per la denizione dell'area interessata dal tumore. Si

vede come l'immagine THz sia molto più selettiva.

8 Introduzione