The development of terahertz (THz) spintronics has created a paradigm shift in the generation of THz radiation through the combination of ultrafast magnetism and spin-based electronics. However, research in this area has primarily focused on all-metallic devices comprising a ferromagnetic thin film adjacent to a non-magnetic heavy metal. Here, we report the experimental observation of spintronic THz emission from an n-doped wide bandgap semiconductor, n-GaN. We found that the amplitude of THz emission strongly depends on the carrier concentration of the semiconductor layer, which could be attributed to the tunable Rashba state occurring at the n-GaN/ferromagnet interface. Our work offers exciting prospects for pursuing wide bandgap semiconductor-based spintronic THz devices and demonstrating their intriguing spin Hall physics at the ultrafast timescale.

1.
M.
Tonouchi
,
Nat. Photonics
1
,
97
(
2007
).
2.
S.
Zhong
,
Front. Mech. Eng.
14
,
273
(
2019
).
3.
S.
Fan
,
T.
Li
,
J.
Zhou
,
X.
Liu
,
X.
Liu
,
H.
Qi
, and
Z.
Mu
,
AIP Adv.
7
,
115202
(
2017
).
4.
A.
Redo-Sanchez
,
N.
Laman
,
B.
Schulkin
, and
T.
Tongue
,
J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves
34
,
500
(
2013
).
5.
M.
Naftaly
,
N.
Vieweg
, and
A.
Deninger
,
Sensors
19
,
4203
(
2019
).
6.
J.
Federici
and
L.
Moeller
,
J. Appl. Phys.
107
,
111101
(
2010
).
7.
T.
Kleine-Ostmann
and
T.
Nagatsuma
,
J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves
32
,
143
(
2011
).
8.
H.
Song
and
T.
Nagatsuma
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
1
,
256
(
2011
).
9.
S.
Schlauderer
,
C.
Lange
,
S.
Baierl
,
T.
Ebnet
,
C. P.
Schmid
,
D. C.
Valovcin
,
A. K.
Zvezdin
,
A. V.
Kimel
,
R. V.
Mikhaylovskiy
, and
R.
Huber
,
Nature
569
,
383
(
2019
).
10.
J.
Walowski
and
M.
Münzenberg
,
J. Appl. Phys.
120
,
140901
(
2016
).
11.
T.
Kampfrath
,
A.
Sell
,
G.
Klatt
,
A.
Pashkin
,
S.
Mährlein
,
T.
Dekorsy
,
M.
Wolf
,
M.
Fiebig
,
A.
Leitenstorfer
, and
R.
Huber
,
Nat. Photonics
5
,
31
(
2011
).
12.
T.
Kampfrath
,
M.
Battiato
,
P.
Maldonado
,
G.
Eilers
,
J.
Nötzold
,
S.
Mährlein
,
V.
Zbarsky
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
S.
Blügel
,
M.
Wolf
,
I.
Radu
,
P. M.
Oppeneer
, and
M.
Münzenberg
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
256
(
2013
).
13.
T.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
U.
Martens
,
J.
Hannegan
,
L.
Braun
,
P.
Maldonado
,
F.
Freimuth
,
A.
Kronenberg
,
J.
Henrizi
,
I.
Radu
,
E.
Beaurepaire
,
Y.
Mokrousov
,
P. M.
Oppeneer
,
M.
Jourdan
,
G.
Jakob
,
D.
Turchinovich
,
L. M.
Hayden
,
M.
Wolf
,
M.
Münzenberg
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Nat. Photonics
10
,
483
(
2016
).
14.
Y.
Wu
,
M.
Elyasi
,
X.
Qiu
,
M.
Chen
,
Y.
Liu
,
L.
Ke
, and
H.
Yang
,
Adv. Mater.
29
,
1603031
(
2017
).
15.
D.
Yang
,
J.
Liang
,
C.
Zhou
,
L.
Sun
,
R.
Zheng
,
S.
Luo
,
Y.
Wu
, and
J.
Qi
,
Adv. Opt. Mater.
4
,
1944
(
2016
).
16.
G.
Torosyan
,
S.
Keller
,
L.
Scheuer
,
R.
Beigang
, and
E. T.
Papaioannou
,
Sci. Rep.
8
,
1311
(
2018
).
17.
K.
Ando
,
S.
Takahashi
,
J.
Ieda
,
Y.
Kajiwara
,
H.
Nakayama
,
T.
Yoshino
,
K.
Harii
,
Y.
Fujikawa
,
M.
Matsuo
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
J. Appl. Phys.
109
,
103913
(
2011
).
18.
T.
Seifert
,
S.
Jaiswal
,
M.
Sajadi
,
G.
Jakob
,
S.
Winnerl
,
M.
Wolf
,
M.
Kläui
, and
T.
Kampfrath
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
252402
(
2017
).
19.
L.
Cheng
,
X.
Wang
,
W.
Yang
,
J.
Chai
,
M.
Yang
,
M.
Chen
,
Y.
Wu
,
X.
Chen
,
D.
Chi
,
K. E. J.
Goh
,
J. X.
Zhu
,
H.
Sun
,
S.
Wang
,
J. C. W.
Song
,
M.
Battiato
,
H.
Yang
, and
E. E. M.
Chia
,
Nat. Phys.
15
,
347
(
2019
).
20.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C.
De Santi
,
M. M.
De Souza
,
S.
Decoutere
,
L.
Di Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Fay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M.
Van Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zhang
,
J. Phys. D
51
,
163001
(
2018
).
21.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
22.
W.
Stefanowicz
,
R.
Adhikari
,
T.
Andrearczyk
,
B.
Faina
,
M.
Sawicki
,
J. A.
Majewski
,
T.
Dietl
, and
A.
Bonanni
,
Phys. Rev. B
89
,
205201
(
2014
).
23.
J. C. R.
Sánchez
,
L.
Vila
,
G.
Desfonds
,
S.
Gambarelli
,
J. P.
Attané
,
J. M.
De Teresa
,
C.
Magén
, and
A.
Fert
,
Nat. Commun.
4
,
2944
(
2013
).
24.
F.
Kaess
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
P.
Reddy
,
A.
Klump
,
L. H.
Hernandez-Balderrama
,
S.
Washiyama
,
A.
Franke
,
R.
Kirste
,
A.
Hoffmann
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
120
,
105701
(
2016
).
25.
G. P.
Zhang
and
W.
Hübner
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
3025
(
2000
).
26.
M.
Battiato
,
K.
Carva
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
027203
(
2010
).
27.
A.
Eschenlohr
,
M.
Battiato
,
P.
Maldonado
,
N.
Pontius
,
T.
Kachel
,
K.
Holldack
,
R.
Mitzner
,
A.
Föhlisch
,
P. M.
Oppeneer
, and
C.
Stamm
,
Nat. Mater.
12
,
332
(
2013
).
28.
G. M.
Choi
,
B. C.
Min
,
K. J.
Lee
, and
D. G.
Cahill
,
Nat. Commun.
5
,
4334
(
2014
).
29.
W.
Weber
,
S. D.
Ganichev
,
S. N.
Danilov
,
D.
Weiss
,
W.
Prettl
,
Z. D.
Kvon
,
V. V.
Bel'kov
,
L. E.
Golub
,
H. I.
Cho
, and
J. H.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
262106
(
2005
).
30.
J. H.
Buß
,
J.
Rudolph
,
F.
Natali
,
F.
Semond
, and
D.
Hägele
,
Phys. Rev. B
81
,
155216
(
2010
).
31.
M.
Battiato
and
K.
Held
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
196601
(
2016
).
32.
T. J.
Huisman
,
R. V.
Mikhaylovskiy
,
J. D.
Costa
,
F.
Freimuth
,
E.
Paz
,
J.
Ventura
,
P. P.
Freitas
,
S.
Blügel
,
Y.
Mokrousov
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
455
(
2016
).
33.
M.
Chen
,
R.
Mishra
,
Y.
Wu
,
K.
Lee
, and
H.
Yang
,
Adv. Opt. Mater.
6
,
1800430
(
2018
).
34.
J.
Shen
,
X.
Fan
,
Z.
Chen
,
M. F.
DeCamp
,
H.
Zhang
, and
J. Q.
Xiao
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
072401
(
2012
).
35.
K.
Ando
,
S.
Takahashi
,
J.
Ieda
,
H.
Kurebayashi
,
T.
Trypiniotis
,
C. H. W.
Barnes
,
S.
Maekawa
, and
E.
Saitoh
,
Nat. Mater.
10
,
655
(
2011
).
36.
T.
Kleine-Ostmann
,
M.
Koch
, and
P.
Dawson
,
Microwave Opt. Technol. Lett.
35
,
343
(
2002
).
37.
D.
Takane
,
S.
Souma
,
T.
Sato
,
T.
Takahashi
,
K.
Segawa
, and
Y.
Ando
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
091601
(
2016
).
38.
J. I.
Pankove
and
H.
Schade
,
Appl. Phys. Lett.
25
,
53
(
1974
).
39.
Q.
Song
,
H.
Zhang
,
T.
Su
,
W.
Yuan
,
Y.
Chen
,
W.
Xing
,
J.
Shi
,
J.
Sun
, and
W.
Han
,
Sci. Adv.
3
,
e1602312
(
2017
).
You do not currently have access to this content.