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P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
Sourcesaux fréquences Terahertz
P.Mounaix
CPMOH351 cours de la libération
33405 Talence cedex
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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
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Applications
•Observation de l ’environnement
•Radioastronomie
•Surveillance des pollutions atmosphériques
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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
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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
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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
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I Composants actifs pour le THZ: Diode à effet tunnel résonnant
Composants Actifs :
RTD 1µm2
•712 GHz et une puissance estimée à 300 nW
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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
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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++
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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
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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
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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
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@ Tamb
9.6 mW250 GHz
[Mélique et al1999]
multiplicateurs
Etat de l’art multiplicateurs/diodes
Constatation : F P
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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
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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
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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
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
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 −++
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Dispositif de photomélange
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
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Dispositif de photomélange
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
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Dispositif de photomélange
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.
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Dispositif de photomélange
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
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Plan1. Le Térahertz2. Emission Térahertz Bande étroite
2.a Dispositif actif semiconducteur•Dipôle, tripôle
2.d Dispositif de photomélange2.c Lasers Semiconducteurs
2.b Génération THz indirecteMélangeur, Doubleur de fréquence
3. Emission Térahertz large bande3.a Redressement optique3.b Génération par émission de surface3.c Dispositif photoconductif
4. Applications
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Principe
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•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
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Plan1. Le Térahertz2. Emission Térahertz Bande étroite
2.a Dispositif actif semiconducteur•Dipôle, tripôle
2.d Dispositif de photomélange2.c Lasers Semiconducteurs
2.b Génération THz indirecteMélangeur, Doubleur de fréquence
3. Emission Térahertz large bande3.a Redressement optique3.b Génération par émission de surface3.c Dispositif photoconductif
4. Applications
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
Génération par émission de surface
Géometrie
•Sans B •Avec B : Mode THz TE et TM
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Plan1. Le Térahertz2. Emission Térahertz Bande étroite
2.a Dispositif actif semiconducteur•Dipôle, tripôle
2.d Dispositif de photomélange2.c Lasers Semiconducteurs
2.b Génération THz indirecteMélangeur, Doubleur de fréquence
3. Emission Térahertz large bande3.a Redressement optique3.b Génération par émission de surface3.c Dispositif photoconductif
4. Applications
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
Dispositif photoconductif
Principe de la génération par photocommutation
P.Mounaix, Ecole Femto 2004, Porquerolles
Dispositif photoconductif
Antennes: THz
• THz émetteurs:matériau: Gallium ArsenideTension 5~30 VPopt =5 ~100 mW
• THz détecteurs:matériau: Silicon-on-SapphireGaAs BT
@ IEMN
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Dispositif photoconductif
Principe de la modélisation par photocommutation
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Dispositif photoconductif
Banc expérimental
•Copyright Science et Vie / P. Carril
•Détection EO
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Dispositif photoconductif
Banc expérimental
Banc de mesure THz
Photodectecteurs ultrarapidesGaAs BT
•Lentilles hyperhémispherique en Si HR
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Dispositif photoconductif
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
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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
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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