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P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles

Sourcesaux fréquences Terahertz

P.Mounaix

CPMOH351 cours de la libération

33405 Talence cedex

[email protected]


Plan1. Le Terahertz2. Émission Terahertz Bande étroite

2.a Dispositif actif semiconducteurDipôle, tripôle

2.d Dispositif de photomélange2.c Lasers Semiconducteurs

2.b Génération THz indirecteMélangeur, Doubleur de fréquence

3. Émission Terahertz large bande3.a Redressement optique3.b Génération par émission de surface3.c Dispositif photoconductif

4. Applications


Le Terahertz

Fréquence (Hz)

1 THz ~1 ps ~300µm ~33cm-1 ~4.1meV ~47.6K

•RadiokHz

•Micro-ondesGHz

•THz

1012

•IR-Visible –UV

1015

•RX

1018


Applications

•Observation de l ’environnement

•Radioastronomie

•Surveillance des pollutions atmosphériques


Technologies THz utilisant des Semiconducteurs

•Génération directe•Electronique : - Diodes (Gunn, Impatt, RTD)

- Transistors (HBT, HEMT)•Optique : - Lasers moléculaires, p-Germanium

- Laser à cascade quantique

•Génération indirecte

•Electronique: - Multiplication de fréquencesComposant non linéaire (diode Schottky, HBV)

•Optique:• Mélange de fréquences

• PhotocommutateurMixte Optique-Electronique







4. Applications


I Composants actifs pour le THZ: Diode à effet tunnel résonnant

Principe

Confinement électronique et niveaux quasi liés

Transmission

Buts

Jpic élevées (> 100 kA/cm²) Rapports (P.V.C.R.)Vpic faibles


I Composants actifs pour le THZ: Diode à effet tunnel résonnant

Composants Actifs :

RTD 1µm2

•712 GHz et une puissance estimée à 300 nW







4. Applications


Composantes tunnel : pur, Assisté thermiquement, défautsFowler-Nordheim résonnant

BUT : Augmenter la tenue en tension

Non linéarité : désertion des espaceurs

Symétrie : harmonique impair

BUT : Augmenter Cmax, diminuer Cmin,domaine de variation

I Composants pour le THZ: Hétérostructure Simple Barrière

Principe

CONDUCTION CAPACITE

Courant thermoionique faible


La HBV : principe (3)I Composants actifs pour le THZ: Hétérostructure Simple Barrière

distance tension

Barrièred’hétérostructures de SC

zonede contact

zonede contact

zoned’accumulation

zonede désertion

pote

ntie

l

capa

cité

n++ n++


I Composants actifs pour le THZ: Hétérostructure Simple Barrière

Exemples de couches: Visualisation

AlInAs/AlAs/AlInAs

1.2 eV

0.54eV

4 diodes intégrées en série

MEB haute résolution


Technologie des HBV : fabrication des circuits HBVI Composants actifs pour le THZ: Heterostructure Simple Barrière

Du composant au système

260 µm1770 µm

260 µm

1770 µm

70 µm70 µm


I Composants pour le THZ: Diodes Schottky

Rd(V)//Cd(V)Rs en série

Inductance Lp

Fuites par le substrat Cp

•0.1µm

•2 Diodes Schottky

•Montage anti-parallele


@ Tamb

9.6 mW250 GHz

[Mélique et al1999]

multiplicateurs

Etat de l’art multiplicateurs/diodes

Constatation : F P







4. Applications


un laser à cascade quantique

•Zone active : 2 puits quantiques couplésavec 3 niveaux

•Injection : superréseau +effet tunnel résonnant

Ou Optique

•Émission THz

•Dépeuplement rapide

•Problème de propagation guidée

•Mécanismes non radiatif

•Maintenir l’inversion de population (10ps)

•Croissance épitaxiale complexe (700 couches #)

•140K







4. Applications


Dispositif de photomélange

Le photomélange: principe

• Le battement de fréquences

ω1

ω2

Mélange spatial

S1 (P1, ω1)

S2 (P2, ω2)tPmPPP )cos(2 212121 ωω −++



Antenne de radiation

•Application principale: spectroscopie

Antenne large bandeAntenne spirale équiangulaire

0.1 THz >F > 2 THz

Lentille hyperhémisphèrique

• Energie piégée dans le substrat

•Précollimatation du faisceau



Réalisation Technologique

Étapes technologiques

• Croissance épitaxiale (EJM)

• Lithographie électronique

•Evaporation Ti/Au (1000/4000Å)

• Procédé Lift - off

•Pas de recuit Post Process

Vue au MEB d ’un photodétecteur interdigité



Le photomélange: modélisation

VB

RL

RS

GC VP

ν

)1)()(1()(

21

222

20

τωωω ++=

CRRGVP

L

LB

Bande passante: 2 temps caractéristiques

•Temps caractéristique du matériau : τ des porteurs

•Constante de temps électrique RLCSchéma électrique équivalent du système

Brown et al, JAP, 1993.

PuissanceRendements conversion (optique-terahertz) < 10-5

•de 1µW à 1THz.



Caractérisation expérimentale

•M •LS

•LD0•Polariseur

•899-29, •Autoscan, •Coherent •Inc.

•Laser Sa: •Ti

•LD0•Polariseur•LS

•M•Laser Sa: •Ti

•899-29, •Autoscan, •Coherent •Inc.• Laser Argon

•Innova 400, •Coherent •Inc.

•Miroir •Parabolique•hors •d’axe

•Lentille•f = 25 mm

•Si

•Bolomètre•4.2 K

•Photomélangeur•THz

•M

•Université du Littoral


Plan1. Le Térahertz2. Emission Térahertz Bande étroite

2.a Dispositif actif semiconducteur•Dipôle, tripôle



3. Emission Térahertz large bande3.a Redressement optique3.b Génération par émission de surface3.c Dispositif photoconductif

4. Applications


Principe


•Redressement optique

Principe

Accord de phase

)()()()( 00 Ω−−Ω+=Ω∆ kkkk ωω

group 0

1 1k( )v ( ) v ( )φ ω

∆ Ω = Ω − Ω

0 1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

ZnSe ZnTe

Coh

eren

ce L

engt

h L c (

mm

)

Frequency (THz)

Longueur de cohérence

ZnTe







4. Applications


Génération par émission de surface

Géometrie

•Sans B •Avec B : Mode THz TE et TM







4. Applications


Dispositif photoconductif

Principe de la génération par photocommutation



Antennes: THz

• THz émetteurs:matériau: Gallium ArsenideTension 5~30 VPopt =5 ~100 mW

• THz détecteurs:matériau: Silicon-on-SapphireGaAs BT

@ IEMN



Principe de la modélisation par photocommutation



Banc expérimental

•Copyright Science et Vie / P. Carril

•Détection EO



Banc expérimental

Banc de mesure THz

Photodectecteurs ultrarapidesGaAs BT

•Lentilles hyperhémispherique en Si HR



Banc expérimental

•Spectroscopie au point focal THzApp Phys Lett , VOLUME 83, NUMBER 24, 15 dec 2003 ,p5095•Détail d’un émetteur

E~inverse masse effective

tnv~E∂∂

•Pulse court

•Durée de vie courte & grande mobilité

•Géométrie d’antenne


Imagerie Spectroscopie

Astronomie

Communication

Analysechimique

Biologiestructurelle

Spectroscopiemédicale

Imageriemédicale

Imageriedentaire

Processustechnologique

Paléontologie

Imagerie fossile

Dosage médicalAnalyse nourriture

Diagnostic in vivoPrévention carie

Cellule carcinomeCancer colon, sein, prostate

EnvironnementProcédés industrielDéchet industriel

Chiralité moléculaire

Sang, sérumUrinePoumonMoelle épinière

CatalyseCinétique

Physique

Oscillateur localRéseau imageur

Capteur

Bande passanteRéseau sans fils


Conclusion

Émission Térahertz Bande étroite

Émission Terahertz large bande

Applications : coût…..pour industriel

Remerciements : E Freysz, L.Sarger ( CPMOH) , D.Lippens et Collaborateurs de l’IEMN

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