Optimisation de la détection térahertz (THz) par plasmons bidimensionnels (2D) dans des hétérostructures et de la propagation THz dans des guides d’onde planaires

par Lei Cao

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Frédéric Aniel.

Le jury était composé de Frédéric Aniel, Dominique Coquillat, Jean-François Lampin, Anne-Sophie Grimault Jacquin, Philippe Ferrari, Béatrice Dagons.

Les rapporteurs étaient Dominique Coquillat, Jean-François Lampin.


  • Résumé

    Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d’un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d’hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l’influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d’électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l’optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d’étudier des guides d’onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d’autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

  • Titre traduit

    Optimization of THz detection by two dimensional plasmons in heterostructures and THz propagation in planar waveguides


  • Résumé

    In the THz frequency gap between electronics and optics, the development of compact, tunable, less costly and room temperature operating sources, detectors, amplifiers and passive devices is growing. Electronic devices based on two dimensional (2D) plasmons in heterostructures open up the possibility of tunable emission and detection of THz radiation. For short distance THz transmission, the increased radiation loss as well as other types of loss (dielectric and ohmic loss) may handicap the applications of conventional planar waveguides well studied in the microwave band. Reevaluation of their propagation properties and comprehension of the physical nature of each kind of loss are necessary.This work is divided into two main sections. The first part deals with the optimization of THz resonant detection by quasi 2D plasmons-polaritons (PP) in the quantum wells (QW) among four heterostructures: III-V (AlGaN/GaN, InAlN/GaN, AlGaAs/GaAs) and IV-IV (SiGe/Si/SiGe). With the aid of metallic grating coupler, both ANSOFT HFSS and an indigenously developed program are used to investigate quantitatively the influences of structural parameters (grating period, metal strip width and thickness of barrier layer) and natural properties of 2D plasmons (electron concentration and mobility) on the PP resonances (frequency and amplitude) up to 5 THz. Transmission spectra of sample AlGaN/GaN have been measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) in 0.6-1.8 THz for various metal widths and at different temperatures to compare with the simulated results. At last, two types of modulated 2D electron gas in AlGaAs/GaAs are analyzed. One is the natural electron variation below and between metal fingers due to the difference between the barrier height at the interface metal/semiconductor and Fermi level pinning at the interface air/semiconductor. The other type is the forced modulated 2DEG by biasing voltage on metal fingers. These two parametric studies allow us to analyze and tune the frequency and amplitude of the THz detection. The second part separately studies the dispersions and attenuations of four waveguides (CPW, Microstrip, Stripline and Slotline) with the variation of geometric dimensions and properties of dielectric and metal by ANSOFT HFSS and CST MWS. Their performances are compared until 1 THz based on the same characteristic impedance. The advantages and the limitations of each waveguide are outlined and an optimal THz transmission line is proposed. Furthermore, preliminary measured attenuation of CPW in the frequency range 340-500 GHz are demonstrated and compared with numerical results. The design of transitions for adapting experimental probes by HFSS and the de-embedding method for extracting scattering and attenuation parameters of CPW by ADS are also presented..


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