High efficiency THz photomixers based on indium metallic wafer bonding

par Philipp Latzel

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications

Sous la direction de Jean-François Lampin.

  • Titre traduit

    Photomélangeurs THz efficaces à base de collage de substrat métallique employant l'indium


  • Résumé

    La région THz du spectre électromagnétique reste toujours peu exploité, en grande partie dû au manque de sources efficaces, puissantes, accordables, et compactes. En même temps, de nombreuses applications existent dans cette région de fréquences, comme la spectroscopie de molécules de gaz, la communication sans fil à haut débit, et l'imagerie. Les sources optoélectroniques sont prometteurs grâce à leurs petites dimensions, leur accordabilité, et leur fonctionnement à température ambiante. Cependant elles sont limitées en puissance de sortie à cause de destruction thermique à hauts photocourants. Dans cette thèse, le collage de substrats à basse température utilisant l'In est étudié comme méthode permettant le transfert de photomélangeurs sur des substrats de conductivité thermique plus élevée, améliorant les propriétés thermiques et minimisant la diffusion pendant le collage. Il est montré que le collage basé sur le système In--Au est approprié pour la fabrication de photomélangeurs THz. Dû à l'abondance de lasers compacts et composants optiques disponibles à 1.55 µm, l'attention est focalisée aux photomélangeurs fonctionnant à cette longueur d'onde télécom. Comme première application du processus de report développé, des photoconducteurs basés sur l'InGaAs implanté Fe sont explorés. Cependant la résistivité d'obscurité des couches obtenues reste trop faible pour leur emploi comme photoconducteurs. Ensuite des photodiodes à transport unipolaire transférées sur substrat Si sont fabriquées. Une génération THz très efficace est démontrée. A 300 GHz, une puissance de 692 µW est obtenue, faisant des photodiodes développées des sources idéales pour des systèmes mobiles THz.


  • Résumé

    The THz region of the electromagnetic spectrum is still largely unexploited, mostly due to the lack of efficient, powerful, tunable, and compact sources of THz radiation. At the same time, many applications exist in this frequency range, such as gas spectroscopy, wireless communication at high data rates, imaging, and quality control. Optoelectronic sources are promising as they are compact, widely tunable, and operate at room temperature. However, they are limited in output power due to thermal failure at high photocurrents. In this thesis, low temperature wafer bonding employing indium is investigated as a method to transfer photomixers to substrates with higher thermal conductivity, improving the thermal properties while minimizing diffusion effects during the bonding process. Wafer bonding based on the indium--gold system is shown to be suitable for the fabrication of THz photomixers.Due to the abundance of cheap and compact lasers and optical components available at 1.55 µm wavelength, the attention is focused on photomixers working at this telecom wavelength. As a first application of the developed bonding process, photoconductors based on Fe implanted InGaAs are investigated. However, the dark resistivity of the obtained layers is too low for use in photoconductors. In a next step, uni-traveling-carrier photodiodes transferred to silicon substrate are designed and fabricated. Highly efficient THz generation reaching 692 µW at 300 GHz has been achieved by these devices, making them ideal sources for mobile THz systems.


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