Manipulation of phonon transport for THz radiation and heat dissipation

Abstract

나노스케일의 음향포논 역학에 대한 이해는 열 전도 제어, 전하 제어, 마이크로 규모 입자 제어 및 포논 레이저 개념을 비롯하여 비약적인 기술 발전을 이끌어왔다. 포논 전송의 관점에서, 반도체에서 열전도는 수명이 짧은 광학 포논보다는 음향 포논에 의해 주로 결정된다. 음향 포논 전송 조작 기술의 발전에도 불구하고, 원자 규모의 계면에서의 전송 및 음향 포논과 전자의 상호 작용은 아직 규명되지 않았다. 우리는 인화갈륨 (GaP)/규소 (Si) 이종접합구조에서 변형 전위에 기반한 음향 포논과 전자의 상호작용에 의해 발진되는 테라헤르츠 (THz) 전자기파를 측정하고 모델링하였다. 또한, 열 처리 온도에 따른 그래핀과 질화갈륨 (GaN) 계면의 접합 특성 변화와 그에 따른 음향 포논 전파를 측정하고 분석하였다.

이 논문에서는 변형 전위에 기반하여 음향 포논-전자 상호작용에 의한 새로운 테라헤르츠 전자기파 발진 메커니즘을 규명한다. 인화갈륨의 두께가 다른 (16, 35, 45 nm) 인화갈륨/규소 이종접합구조에서, 음향 포논은 인화갈륨의 표면과 인화갈륨/규소 계면에서 발생하여 전파한다. 변형 전위에 기반하여, 음향 포논에 의해 유도된 전기장은 음향 속도로 이동하면서 전자를 가속함에 따라 테라헤르츠 전자기파를 방출한다. 측정된 테라헤르츠 전자기파의 방출 시간은 전자가 분포한 공핍영역의 가장자리까지 음향 포논이 이동하는 시간과 일치하였다. 본 연구에서 개발한 모델에 기반하여 관측된 테라헤르츠파의 진폭과 스펙트럼은 전하 밀도와 음향 포논에 의해 유도된 전기장의 크기와 밀접하게 관련되어 있음을 확인하였다.

단층 그래핀과 질화갈륨 발광다이오드 (LED) 계면의 접합력은 열처리에 의해 달라진다. 그에 따라, 그래핀과 질화갈륨 발광다이오드 사이의 계면 특성에 따른 계면 열전도도를 평가하였다. 그래핀과 질화갈륨의 열팽창 계수 차이로 인해, 열처리 후에 그래핀에 주름이 유도된다. 라만 스펙트럼과 원자힘 현미경으로 그래핀의 주름에 따른 계면 접합 특성을 규명하였다. 여기-탐사법 (pump-probe spectroscopy)로 측정한 음향 포논 진동의 위상을 분석하여, 다양한 접합 특성을 가진 그래핀/질화갈륨 계면에서 포논 반사 계수를 추출하였다. 포논 반사 계수 이용한 분석 모델을 활용하여, 200 °C 열처리 후에 계면 열전도도가 향상되었음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 계면 열전도도 추출 방식은 발광소자 및 전자소자 등의 열 방출 향상에 기여할 수 있을 것으로 예상한다.|The understanding of nanoscale phononic dynamics has resulted in considerable technological progress, for example, controlling heat conduction, transferring charge, microscale particles, and conceptualizing phonon lasers. In terms of phononic transport, the acoustic (AC) phonon branches decisively contribute to thermal conduction compared to the short-lived optical phonon, e.g., in bulk semiconductors. However, the interaction of AC phonons with electrons and AC phonon transport at atomic-scale interfaces has not been investigated yet. We demonstrate THz electromagnetic wave radiation via the coupling between AC phonons and electrons under deformation potential in the GaP/Si heterostructure. Moreover, we experimentally explored the AC transport through the interface between monolayer graphene and GaN surface with the variable interfacial adhesion properties.

We demonstrate a novel mechanism of THz electromagnetic emission by AC-phonon--electron coupling based on deformation potential. The epicenters of the AC phonon pulses were the interface of the top GaP transducer layer whose thickness (d) was varied in nanoscale from 16 to 45 nm. The electric field carried by the propagating AC pulses based on the deformation potential induces a transient electrons acceleration at the Si-side depletion edge. The AC-phonon--induced THz emission times coincide with the AC transit time from each epicenter to the depletion edge of Si. The analysis on the observed THz amplitude and spectrum reveals that the AC-phonon--induced THz emission is correlated with the temporal evolution of mobile charge density and the magnitude of AC-phonon--induced electric field. This study demonstrates the role of deformation potential coupling in electromagnetic wave emission in a manner that is clearly distinct from its piezoelectric counterpart.

We evaluate the thermal boundary conductivity (TBC) depending on the interfacial property between graphene and GaN-based LEDs. After the thermal annealing, the wrinkles can be induced on graphene due to the difference in thermal expansion coefficient between the graphene and GaN interface, which was evaluated by the Raman spectra and the atomic force microscopy. We extract the phonon reflection coefficient at the graphene/GaN interface with various adhesion properties by tracing the phase of ultrafast acoustic oscillations observed in the pump-probe scheme. Our analytical modeling based on phonon reflection coefficients shows that TBC increases as graphene wrinkles are minimized at 200 $^{\circ}$C annealing. This new comprehensive TBC extraction scheme could spark a further discussion on improving the heat dissipation of LEDs.