Tansistors à effet de champ à base de GaAs et de GaN pour l'imagerie THz

par Salman Nadar

Thèse de doctorat en Milieux denses et matériaux

Sous la direction de Wojciek Knap.

Le président du jury était Luca Varani.

Le jury était composé de Wojciek Knap, Christophe Gaquiere, David Cassagne.

Les rapporteurs étaient Patrick Mounaix, Jerzy Lusakowski.


  • Résumé

    Les dernières années montrent des nombreuses applications de la spectroscopie Teraheretz (THz) dans le domaine de sécurité postale, contrôle de la qualité, médecine et biologie. Après les premières expériences de l'imagerie avec un seul élément / détecteur, l'étape suivante est l'utilisation de matrices de détecteurs. Par conséquent, la nécessité de détecteurs THz sensibles, très rapides, opérant à température ambiante et intégrable facilement en matrice est devenue crucial. Les transistors à effet de champ semblaient être les candidats les plus appropriés pour la construction du première matrice pour l'imagerie THz. Ce travail présente les études des transistors à effet de champ à base de GaAs et GaN en vue de leur application comme imageurs THz. Dans la première partie, nous présentons les études de FET à base de GaAs sur une plage de fréquence très large (0,25 _2.54 THz). Nous étudions également les moyens d'accroître leur sensibilité et d'optimiser leurs puissance équivalente de bruit. Dans la deuxième partie nous étudions les transistors à base de GaN. Ce matériau , avec un grand bande interdite, pourrait être un candidat potentiel comme imageur THz travaillant à des températures élevées et / ou dans des environnements difficiles. Leur sensibilité a été étudiée en fonction de différents paramètres physiques, tels que la tension de grille, la longueur de grille, le courant de fuite de grille, la température et la direction de polarisation du rayonnement THz incidente. Nous avons étudié également l'influence de l'application de courant de drain. Les comportements observés ont été interprété / compris en utilisant des simulations numériques basées sur les modèles théoriques existants. Enfin, nous avons étudié des transistors à base de GaAs avec une structure de couplage spécifique réseaux de grille périodiques. La présence de la structure périodique permet d'améliorer le couplage entre l'onde THz incidente et le transistor. Une estimation théorique de la longueur caractéristique de détection, combinée à des calculs de l'intensité des champs THz locaux ont été utilisés pour interpréter nos résultats expérimentaux. Un bon accord avec le modèle théorique a été obtenue montrant que la détection a lieu principalement dans les zones appauvri du canal.

  • Titre traduit

    GaAs and GaN based field effect transistors for Terahertz imaging


  • Résumé

    Last years clearly show many emerging applications of Teraheretz spectroscopy in postal and airport security, quality control, medicine and biology. After first demonstrations of imaging with a single element/detector the evident next step is use of detector matrixes. Therefore , the need for sensitive, rapid, room temperature operating, and easily integrable THz detectors became critical. Field effect transistors appeared to be the most suitable candidates for building the first matrixes focal plane arrays. This work presents the studies of different GaAs and GaN based field effect transistors in view of they application in Terahertz imagers. In the first part we present the studies of GaAs based FETs over a very wide frequency range (0.25 _2.54 THz). We study also the ways to increase their sensitivity and optimize their Noise Equivalent Power. In the second part we study the transistors based on GaN technology. This wide gap material can be a potential candidate for Terahertz imagers working at elevated temperatures or/and harsh environments. Their sensitivity has been studied as a function of various physical parameters, such as the gate voltage, gate length, the gate leakage current, temperature and direction of polarization of the incident THz radiation. We studied also the influence of a drain current. The observed behaviour was interpreted/understood using numerical simulations based on existing theoretical models. Finally, we studied GaAs based transistors with a specific coupling structure - periodic double-granting gate. The presence of periodic structure allows to improve the coupling between incident THz wave and a transistor. A theoretical estimate of the characteristic length of detection, combined with calculations of the intensity of THz local fields were used to interpret our experimental results. Good agreement with theoretical model was obtained showing that the detection takes place mainly in depleted portions of the channel.

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