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Hervé EUSÈBE Etude théorique et expérimentale de la génération térahertz par photocommutation dans des composants en GaAs épitaxié à basse température 1 Le LAHC • un développement conjoint d'activités micro-ondes et optiques • une approche globale, temporelle et fréquentielle des phénomènes 2 Génération et détection de signaux comportant des fréquences supérieures à 100 GHz pour : détecter des molécules (polluants, explosifs…) la médecine (détection de cancers cutanés, caries…) astrophysique les télécommunications étudier la dynamique des porteurs dans les matériaux Étude des techniques de mesure et de leurs limitations Modélisation des composants afin de prévoir leur comportement et permettre une optimisation 3 Sommaire Introduction Géné./Mesure Introduction Modélisation Conclusion I. Génération et mesure d’impulsions brèves II. Modélisation mixte opto / hyperfréquence Conclusion 4 Applications et objectifs de l’optoélectronique rapide Génération de signaux térahertz Introduction Comment ? Génération par photocommutation Géné./Mesure Modélisation Conclusion générer et mesurer des signaux efficaces on veut : Pour dispositif polarisé un signal électrique le plus bref possible illumination par une impulsion optique femtoseconde faible temps de vie des porteurs création de porteurs diminution de la résistance du matériau un courant généré intense commutation des électrodes pendant mobilité des porteurs élevéela durée de vie des porteurs champ de claquage élevé brèves (f > Thz) génération d’impulsions électriques dispositif hyperfréquence adapté au matériau un fort contraste hors/sous éclairement matériau très isolant hors éclairement Vcc 5 Moyens utilisés : les semi-conducteurs rapides 100 Géné./Mesure Modélisation Conclusion carrier lifetime (ps) Introduction 10 amorphous and polycrystalline Si ii-InP RD-SOS 1 poly-CdTe InAlAs LT-GaAs 0.1 Be:LT-GaAs 0.01 1 10 100 1000 carrier mobility (cm2/V/s) GaAs basse température bon candidat par rapport aux objectifs 6 Expérimentation Introduction Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. mesures ray. Introduction I. Génération et mesure d’impulsions brèves 1. Matériau rapide : GaAs BT dopé Be 2. Dispositifs photoconducteurs 3. Mesures d’impulsions guidées 4. Mesures d’impulsions rayonnées II. Modélisation mixte opto / hyperfréquence Modélisation Conclusion Conclusion 7 Matériau rapide : GaAs basse température GaAs BT initialement utilisé comme isolant entre transistors MESFET (1988) Introduction Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation Conclusion La présence d’antisites génère un niveau profond déjà peuplé compensation des accepteurs superficiels (lacunes, impuretés) croissance épitaxiale à introduction d’As en 200 °C au lieu de 600 °C excès (environ 1%) énergie énergie génération de défauts : lacunes et antisites de gallium niveau EL2 AsGa recuit à 600 °C formation de précipités d’arsenic impuretés lacunes, impuretés vecteur d’onde vecteur d’onde GaAs GaAs BT 8 Matériau rapide : GaAs basse température Caractéristiques attractives : Introduction Géné./Mesure matériau faible temps de vie des électrons ( < 1ps contre qq. 100 ps) bonne mobilité (environ 500 cm² V-1 s-1) gap correspondant à la longueur d’onde du laser saphir titane dispo mesures guid. mesures ray. Mesure en réflectométrie temporelle du GaAs BT : Be (SPI Vilnius) Modélisation 1 R/R (U. A.) Conclusion 0.8 = 500 fs 0.6 = 5 ps n p 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 temps (ps) 9 GaAs basse température dopé au béryllium Introduction Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modèle de Schokley-Read-Hall : t 1 N t v antisite ionisés : pièges très efficaces Nt la densité d’antisites ionisés [AsGa+] Doper le matériau avec du béryllium pour créer un niveau accepteur et activer plus d’antisites Modélisation Conclusion AsGa+ = pièges libres Nt AsGa0 = pièges occupés Be vecteur d’onde GaAs BT : Be contrôle du temps de vie des électrons en fonction de la densité de Be 10 Principe de l’échantillonnage en temps équivalent Introduction ligne à retard Géné./Mesure matériau source fs mesure dispo mesures guid. génération mesures ray. Modélisation détecteur optique génération rapide Conclusion détection par photoconduction électro-optique électro-absorption 11 Source laser pulsée Laser pulsé saphir : titane Tsunami (Spectra Physics) Introduction = 800 nm Géné./Mesure Pmoy = 400 mW matériau dispo MH = 78 fs (mesuré sur le dispositif) à 82 MHz mesures guid. mesures ray. 1.5 Conclusion amplitude (u. a.) Modélisation 1 0.5 0 -0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 temps (fs) 12 Dispositifs caractérisés Photocommutateurs MSM (Métal Semi-conducteur Métal) interdigités sur guide d’onde coplanaire en or * Introduction Géné./Mesure conducteur matériau dispo GaAs BT : Be mesures guid. mesures ray. Modélisation Conclusion 5 topologies différentes - Zc = 50 - largeur ruban central entre 40 et 100 µm - nombre de doigts entre 5 et 11 - largeurs des doigts 0,5 ou 1µm * Université de Glasgow 13 Echantillonnage photoconductif : principe Introduction Géné./Mesure A matériau génération dispo mesure mesures guid. mesures ray. ou Modélisation Conclusion A génération mesure 14 Echantillonnage photoconductif : résultat Lignes entièrement déposées sur substrat photoconducteur rapide Introduction mesures en un point quelconque de la ligne Géné./Mesure 1.4 dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation Conclusion amplitude (u. a.) matériau 1.2 montée =1,3 ps 100 µm 200 µm 370 µm 520 µm 660 µm 1 0.8 0.6 montée =2,3 ps 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 35 40 temps (ps) propagation de l’impulsion : atténuation mesurée : 4,5 dB / mm dispersion : montée = 1,3 ps 2,3 ps rayonnement de l’énergie dans le substrat 15 Echantillonnage électro-optique : principe (1) Effet Pockel’s : nopt = f(Estat) Introduction Géné./Mesure E matériau dispo z mesures guid. mesures ray. y no Modélisation Conclusion x ne cristal EO anisotrope LiTaO3 16 Echantillonnage électro-optique : principe (2) Introduction cristal de LiTaO3 (0,5 1 2 mm) traitement diélectrique réfléchissant Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. E mesures ray. Modélisation Conclusion amplitude (u. a.) 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 temps (ps) 17 Echantillonnage électro-optique : résultats (1) Mesure de la propagation Introduction matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation amplitude (u. a.) amplitude normalisée 0.5 1.2 Géné./Mesure 250 250microns microns 500 microns 500 microns 750 microns 750 microns 1 0.4 0.8 0.3 0.6 0.2 0.4 0.1 0.2 0 0 -0.1 -0.2 montée =1,4 ps -0.2 -0.4 Conclusion 5 10 10 12 15 14 20 16 25 18 30 20 temps (ps) (ps) temps peu de dispersion car milieu électromagnétique plus homogène peu de pertes radiatives 18 Echantillonnage par électro-absorption : principe Effet Franz-Keldysh : absorption dans un semi-conducteur assistée par le champ électrique Introduction Géné./Mesure SC matériau dispo x mesures guid. mesures ray. énergie Modélisation énergie bas de la BC Conclusion h<Eg Eg champ électrique absorption via effet tunnel h<Eg Eg haut de la BV x x Absorption linéaire avec le champ électrique si il est supérieur à quelques 10 kV/cm Utilisation d’un matériau avec Eg > à Eg du GaAs BT (AlGaAs BT) 19 Echantillonnage par électro-absorption : résultats Introduction mesures effectuées à l’IEMN dépose d’un patch d’AlGaAs BT sur les lignes (500 500 2 µm) Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. 20 mesures ray. Conclusion amplitude (u. a.) Modélisation 40 15 30 montée =1,3 ps montée 360 µm 500 µm 650 µm 750 µm =2,3 ps réflexions en bout caractéristiques de ligne d’atténuation et de dispersion = mesure photoconductive 10 20 5 10 0 10 0 2020 40 30 60 40 80 50 100 120 60 temps (ps) 20 Comparaison des trois méthodes Introduction Comparaisons après environ 150 µm et 700 µm de propagation matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation Conclusion amplitude normalisée normalisée amplitude Géné./Mesure 1 150µm µm 700 photo-conductif photoconductif électro-optique électro-optique électro-absorption 0.8 0,8 0.6 0,6 0.4 0,4 0.2 0,2 0 0 0 10 10 20 20 30 30 temps(ps) (ps) temps 40 40 50 50 Les méthodes photoconductive et par électro-absorption présentent des résultats très proches L’échantillonnage électro-optique limite la dispersion mais perturbe la mesure 21 Comparaison des trois méthodes Introduction Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation Conclusion Principaux avantages et inconvénients Photoconductif bonne sensibilité résolution temporelle limitée (mais suffisante ici) Électro-optique sonde simple à fabriquer perturbation importante Électroabsorption peu perturbatrice nécessite un matériau parfaitement adapté au laser 22 Mesures du champ rayonnée : principe Génération par photocommutation et par effet de surface Mesure par photocommutation sur une antenne en GaAs BT : Be Introduction Géné./Mesure Vcc matériau dispo A mesures guid. mesures ray. impulsion THz Modélisation Conclusion Le champ térahertz accélère les photoporteurs et génère un courant 5 µm 5 µm 35 µm 23 Mesures du champ rayonnée : résultat Génération par photocommutation Introduction matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation amplitude mesurée amplitude (dB) (pA) Géné./Mesure 50 GaAs BT : Be -10 1500 -20 0 GaAs BT : Be 1000 -30 -50 -40 500 -100 GaAs BT -50 0 -60 -150 GaAs BT -500 -70 -200 0 0 Conclusion 12 2 4 3 6 4 fréquence (THz) temps (ps) 85 amplitude mesurée (pA) 2000 0 6 10 champ environ 10 fois inférieur mais bon rapport S/B 24 Mesures du champ rayonnée : résultat Mesures bolométriques Géné./Mesure matériau dispo mesures guid. mesures ray. Modélisation puissance mesurée (nW) Introduction 500 100 claquage 400 100 mW 44.4 mW 16.2 mW 4 mW 10 300 200 1 carré 5 µm pointe 5 µm carré 35 µm 100 0 0.1 0 Conclusion 1 10 20 30 10 40 tension puissance de polarisation optique (V) (mW) 50100 antenne polarisation carrée : 25de V 5 µm claquage antenne carrée du conducteur la plus efficace saturation pour les fortes puissances optiques 25 Génération par effet Dember : principe détecteur champ magnétique Introduction Géné./Mesure E matériau dispo mesures guid. centre de charges - air semi-conducteur centre de charges + mesures ray. Modélisation Conclusion création rapide d’un dipôle rayonnement d’une impulsion THz dans le plan du semi-conducteur application d’un champ magnétique la force de Lorentz dévie les porteurs et décale les lobes de rayonnement 26 Génération par effet Dember : résultat mesures effectuée au SPI de Vilnius Introduction matériau : tellure de mercure et de cadmium Géné./Mesure amplitude du champ mesuré dépendante de B matériau dispo mesures guid. 0,3 Modélisation Conclusion Signal, mV mesures ray. B>0 B=0 B<0 0,2 0,1 0,0 -0,1 -6 -4 -2 0 2 4 6 Delay time, ps 27 Modélisation mixte opto / hyperfréquence Introduction Introduction Géné./Mesure I. Génération et mesure d’impulsions brèves Modélisation II. Modélisation mixte opto / hyperfréquence 1. Modèle utilisé 2. Résultats théoriques et expérimentaux a. dépolarisation du dispositif b. saturation matériau c. mesure pompe-sonde photoconductive 3. Modèle en deux dimensions modèle résultats 2D Conclusion Conclusion 28 Modèle : objectifs et méthode Introduction Géné./Mesure Modélisation modèle résultats 2D Conclusion un seul modèle pour décrire l’ensemble des phénomènes observés expérimentalement modèle le plus simple possible, on suppose : une mobilité constante (pas de régime balistique ni de changement de vallée) une répartition homogène des porteurs et du champ électrique pas de propagation dans le dispositif (tout est localisé) prise en compte des paramètres les plus influents taux de population des différents niveaux circuit hyperfréquence résolution des équations différentielles par FDTD méthode souple permettant de prendre en compte tout paramètre supplémentaire et on vérifie que cela fonctionne… 29 Modèle du dispositif C Introduction Robs Zc Géné./Mesure Zc r(t) Modélisation modèle résultats Vcc 2D rayon du spot gaussien Conclusion l S (t ) (n, p) r (t ) (t ) l surface éclairée équivalente l 30 Modèle du matériau dn(t ) n(t ) photons(t ) dt n (t ) Introduction Géné./Mesure Modélisation modèle résultats AsGa+ AsGa0 dp (t ) p(t ) photons(t ) dt p (t ) n piège (t ) p(t ) n(t ) 2D Conclusion Modèle de Schokley-Read-Hall : n 1 AsGa n vth n p 1 AsGa p vth p 0 31 Dépolarisation du dispositif Mesure de l’amplitude par échantillonnage électro-optique Géné./Mesure Modélisation modèle résultats 2D 350 100 160 300 140 80 250 continu 120 60 100 impulsionnel 200 80 40 60 150 40 20 20 50 100 00 Conclusion courant théorique (µA) courantthéorique mesuré (µA) amplitude (mA) Introduction 0 00 20 20 40 40 60 60 80 80 100 100 puissance optique optique (mW) (mW) puissance C diminution de r(t) Robs Zc Zc r(t) génération d’un courant dans le circuit HF chute de la tension de polarisation du dispo. porteurs moins accélérés limitation Vcc 32 Saturation du matériau Génération par court-circuitage du ruban central diminution de l’influence du circuit hyperfréquence mesure par échantillonnage photoconductif Introduction Géné./Mesure n Modélisation modèle résultats 2D Conclusion amplitude (u. a.) amplitude normalisée 1,6 0,15 1,4 1 N pièges n vth n 42 42 mW mW 24 mW 24 mW 12 mW 12 3,2 mW mW 3,2 mW 1,2 0,1 1 0,8 0,6 0,05 0,4 42 mW 24 mW 12 3.2 0,2 0 0 5 10 temps (ps) 15 20 42 abs 24 12 3.2 saturation du niveau de pièges augmentation du temps de vie des électrons extraction de la densité de pièges : AsGa+ = 4,51017 cm-3 33 Limitations Introduction Géné./Mesure Expérience et théorie montrent que l’on ne peut pas générer un signal court et intense en éclairant fortement limitation de l’amplitude due au circuit HF Modélisation modèle limitation de la durée due au matériau résultats 2D Conclusion Mesure du temps de relaxation avec une expérience pompe-sonde photoconductive 34 Mesure pompe-sonde photoconductive : principe Introduction Principe : après une première impulsion, on sonde l’état de polarisation du PC en mesurant le courant généré par une deuxième impulsion photoporteurs Géné./Mesure Modélisation modèle résultats décalage V 2D E Conclusion A photocourant nV 2ème impulsion seule cas réel temps On mesure la non-linéarité de la réponse (différence de courant entre deux impulsions successives et deux impulsions seules) 35 Mesure pompe-sonde photoconductive résultats Introduction Géné./Mesure Modélisation amplitude (mV) 0 0.4 1.7 -5 3 -10 1.2 2 4 5 6.5 -15 9 mW modèle -20 résultats -40 2D -30 -20 -10 0 10 20 30 40 décalage entre les deux impulsions (ps) Conclusion amplitude (u. a.) 0 1 -2 sature le niveau de piège et augmente le temps de vie des électrons de la deuxième impulsion 5 -4 -6 -8 faible décalage temporel : diminution du courant moyen augmentation du courant la première moyenimpulsion dépolarise le dispositif la première impulsion 10 mW -10 -100 -50 0 50 100 décalage entre les deux impulsions (ps) 36 Application du modèle Modèle validé par l’expérience Introduction Optimisation possible des dispositifs Géné./Mesure Modélisation Le modèle prévoit un gain en bande passante lorsque Zc diminue modèle résultats 10 2D Conclusion amplitude (dB) 5 0 -5 -10 -15 -20 10 ohm 50 ohm 100 ohm -25 -30 0.01 0.1 1 fréquence (THz) 37 Influence de la capacité Valeur de C calculée par transformation conforme de la structure Géné./Mesure Modélisation modèle résultats 2D Conclusion amplitude normalisée Introduction 1 a (3,5 fF) b (4,3 fF) c (8 fF) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 11 12 13 14 15 16 17 temps (ps) (mesure EO à 100 µm du photocommutateur) temps de montée : 1 2,2 ps (varie de la même manière que la capacité du dispositif) largeur à mi-hauteur : 1 1,8 ps 38 Modèle en 2 dimensions : principe Autre limitation apparaissant pour les forts taux de génération : Introduction Écrantage du champ électrique Géné./Mesure Modélisation Séparation spatiale des charges positives et négatives modèle résultats 2D y z Conclusion x matériau champ électrique Prise en compte des taux de population et de l’écrantage 39 Modèle en 2 dimensions : résultats Cas linéaire Introduction Géné./Mesure Modélisation modèle résultats 2D Conclusion 1 mW sur un diamètre à mi-hauteur de 30 µm 40 Modèle en 2 dimensions : résultats Saturation du niveau de pièges : augmentation du temps de vie des électrons Introduction Géné./Mesure Modélisation modèle résultats 2D Conclusion 30 mW sur un diamètre à mi-hauteur de 30 µm 41 Modèle en 2 dimensions : résultats Ecrantage du champ électrique Introduction Géné./Mesure Etot(r) = Estat + Eécrant(r) Modélisation modèle résultats 2D i(r) Etot(r)[n(r)n+p(r)p] Conclusion Diminution de la durée ET de l’amplitude de l’impulsion 42 Conclusion Caractérisation et modélisation de dispositifs térahertz Introduction Étude comparative de plusieurs méthodes permet un choix plus éclairé de la technique à employer Géné./Mesure Modélisation Conclusion Caractérisation des antennes sur GaAs BT : Be matériau aujourd’hui utilisé pour la génération et la détection Modélisation mixte simple du dispositif de génération modèle validé grâce aux différentes expériences compréhension approfondie du fonctionnement du dispositif modèle simple => étude paramétrique possible Modèle valide en photomélange Mise en évidence théorique et expérimentale des limitations dues au matériau et au circuit HF Nécessité de prendre en compte le circuit lors de la modélisation 43 Perspectives Introduction Géné./Mesure Fabrication de dispositifs optimisés en génération impulsionnelle et en photomélange Modélisation Conclusion Prise en compte de paramètres influents supplémentaires (comportement non ohmique…) Si observation de l’écrantage : modèle 2D avec prise en compte du circuit HF 44 Merci de votre attention ! 45
![[2] Qu`est-ce que la haute tension](http://s1.studylibfr.com/store/data/003033912_1-595c5f9c1318e2d57c81a3be6901076c-300x300.png)
