Fig 1. Localisation des ondes térahertz dans le spectre électromagnétique
Les ondes térahertz ont la particularité de traverser un grand nombre de matériaux opaques aux ondes optiques visible et
infrarouge et de ne pas pénétrer les matériaux conducteurs tels que les métaux et les liquides polaires comme l’eau. Elles
sont d’autre part non ionisantes, à la différence des rayons X. Ces ondes ont été longtemps cantonnées aux secteurs de
l’observation astronomique et de la physique de la matière condensée. Mais au fur et à mesure du temps certains paliers
technologiques ont été franchis pour les deux composants de base que constituent les sources et capteurs du domaine.
Des efforts ont été réalisés à plusieurs échelles : fréquences d’accès, gammes de balayage en fréquence, fonctionnement à
température ambiante, rapidité, stabilité, sensibilité, compacité et coût. Ceci permet d’envisager aujourd’hui la
conception de systèmes opto-électroniques térahertz pour répondre à la fois à de nombreuses applications et attentes du
secteur de la recherche scientifique et du secteur industriel. Notamment, les technologies Térahertz présentent d’une part
un intérêt pour la spectroscopie utile à la caractérisation de certaines propriétés structurelles de la matière ou à
l’identification de composés chimiques dans les matériaux et d’autre part un fort potentiel pour l’imagerie pénétrante.
Il existe un certain nombre d'émetteurs et de capteurs Térahertz matures, développés au niveau international (micro-
bolomètres [1], diodes [2], pyroélectriques [3],...) possédant des spécificités intéressantes pour des applications ciblées.
Mais la technologie capteur à ondes de plasma [4] développée en partenariat entre l’équipe de recherche « Spectroscopie
THz et Métrologie Quantique » du Laboratoire Charles Coulomb de l’Université de Montpellier et la start-up « T-Waves
Technologies », présente les caractéristiques adéquates à son utilisation dans des systèmes compactes, peu coûteux,
fonctionnant à température ambiante et en temps réel. De plus, cette technologie détient le record du monde de sensibilité
à 0,3 THz depuis 2011 [5].
Eléments théoriques
La technologie des capteurs à ondes de plasmas repose sur l’exploitation des propriétés collectives des électrons dans un
transistor de dimension nanométrique. Dans les matériaux conducteurs, le plasma est un gaz électriquement neutre dont
les particules libres, les électrons, sont chargés négativement et les ions, positivement. Les oscillations de plasma peuvent
être interprétées par le mouvement collectif de groupe d'électrons dont le centre de masse oscille autour de celui des ions,
créant des zones d’excès et de déficit d'électrons. L'énergie est alors transmise par la distribution de charges au sein du
matériau et non plus par les électrons. En 1993, Dyakonov et Shur interprètent le comportement d'oscillations d'ondes
plasma contenues dans le canal bi-dimensionnel d'un transistor à effet de champ [6] par des équations d'hydrodynamique.
Ce comportement peut être considéré comme l’analogue électromagnétique du son émis par la cavité résonante des
instruments de musique à vent.
Ces effets de résonances plasmoniques peuvent conduire à la génération ou à la détection d'ondes térahertz [7] (jusqu'à
5,3 THz) au sein de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT), leur permettant de fonctionner au-delà de leur
fréquence de coupure, typiquement de l'ordre de 1 THz. En 2002, Knap et al. démontrent pour la première fois la
détection d'onde térahertz à 600 GHz [8], par effet résonnant. Aujourd'hui, le développement des procédés de fabrication
et des nouvelles structures de transistors [9] permet la détection d'ondes térahertz sur une large bande spectrale allant de
0,2 THz jusqu'à 4,3 THz [10]. Cette détection est également possible et avec des sensibilités records de 80 kV/W [11]
permettant la conception de dispositifs de communication et d'imagerie térahertz [5,12] à faible coût, opérant à
température ambiante et facilement intégrables dans des systèmes plus complexes et très rapides. Etant donné leur
fréquence de fonctionnement de l’ordre de la centaine de GHz, leur temps de réponse est très faible permettant
d’atteindre la dizaine de ps.
La figure 2 illustre le comportement d’un transistor à canal 2D d’électrons. L’onde incidente est couplée entre la source et
la grille du transistor, entraînant une modulation alternative de la densité et de l'accélération des porteurs au sein du canal
du transistor. Cette modulation est ensuite redressée entre le drain et la source en une tension continue proportionnelle à
Journées scientifiques 24/25 mars 2015 URSI-France
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