Développement de capteurs THz utilisant l'hétérostructure AIGaN/GaN

par Hélène Spisser

Thèse de doctorat en Electronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies

Sous la direction de Frédéric Aniel, François Boone et de Hassan Maher.

Soutenue le 14-02-2017

à Paris Saclay en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke (Québec, Canada) , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) .


  • Résumé

    Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement aux détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon-polariton par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau.

  • Titre traduit

    Design of THz detectors using the AlGaN/GaN heterostructure


  • Résumé

    The THz-domain of the electromagnetic spectrum is not frequently used, even if the generation, amplification and detection of THz-waves would open a wide range of interesting applications. In this work, we focus on plasmonic detectors as a promising alternative to the frequency-raising of high-frequency electronic detectors and to the use of thermic detectors for low-energy photons. The coupling between a THz-photon and a plasmon in a 2D electron gas (2DEG) gives birth to a plasmon-polariton, which is then turned into a continuous, measurable signal and explains the operation of the plasmonic detector. In this work, we use the 2DEG in the semiconductive heterostructure AlGaN/GaN. A metallic grating deposited on-top of the semiconductor realises the coupling between photon and plasmon. First, we used electromagnetic simulations to study the coupling between photon and plasmon and calculate the resonant coupling frequency with respect to the grating dimensions. We studied specifically a grating pattern made of two metal stripes of different widths. This pattern gives the highest sensitivity to the detectors [Coquillat et al., 2010] and had not been studied before in term of coupling efficiency. In a second time, we fabricated detectors designed to match our 0.65 THz experimental setup. These detectors have been measured at 77 K and at room-temperature. No voltage has been applied on the grating. We saw that the sensitivity variations with respect to the incident frequency correspond to the absorption spectra measured by Fourier Transform spectrometer (FTIR), what show the importance of the coupling for the detection. Monitoring the electronic density in the 2DEG is a way to monitor the plasmon-polariton resonant frequency and the detector sensitivity. We led technological development to monitor the electronic density in the 2DEG by applying a voltage on the grating. This has been a technological challenge because of the wide grating area (a few mm²). Finally, we fabricated detectors for which it was possible to monitor the resonant absorption frequency using the grating voltage.


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