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NAno Détecteurs Intégrés pour Applications terahertz – NADIA

NAno Détecteur Intégrés pour Applications terahertz

Les radiations THz sont intéressantes pour des applications potentielles en imagerie et pour de futurs systèmes multi-Gbit/s de communication. Dans ce domaine fréquentiel, certains dispositifs sont au stade de la recherche, avant de devenir des éléments de base de systèmes dédiés à ces applications. L'idée de NADIA est d'étudier le potentiel de détecteurs THz à semiconducteurs et à haute vitesse de modulation pour l’imagerie THz rapide et la communication sans fil avec porteuse à 300 GHz.

L’onde Térahertz, on ne la voit pas arriver. A l’inverse, rien ne lui échappe ! Nanodétecteurs Térahertz pour l’imagerie et la communication sans fil de demain

Le domaine des fréquences térahertz (THz) s'étend de 100 GHz à 10 THz environ, soit à des longueurs d'ondes entre 30 µm et 3 mm. Ces fréquences ont des propriétés uniques comme un fort pouvoir pénétrant. Elles permettent de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs (tels les plastiques, le bois, …). Elles sont considérées non-ionisantes ce qui les rend a priori peu nocives. L’imagerie THz est une technique d’évaluation non-destructive qui peut notamment exploiter les signatures spectrales spécifiques pour une identification efficace. La tomographie peut être utilisée dans le domaine THz pour un rendu d’images 3D, comme le font les techniques traditionnelles utilisant l’optique visible ou les rayons X. Par ailleurs, des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses THz pourront supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. Dans NADIA, nous nous sommes intéressés au développement et à l’intégration d’un détecteur large bande de détection et pouvant travailler à haut débit, destiné à l’imagerie 2D et 3D et à la communication THz sans fil. Ces détecteurs s’appuient sur la technologie mature des transistors bipolaires InP et sur des nanostructures ratchet innovantes.

Le challenge consiste au développement de i) détecteurs rapides, sensibles sur un large domaine de fréquence pour des applications en imagerie et ii) des détecteurs avec une bande passante de modulation > 10 GHz pour la communication sans fil, la modulation étant convoyée par l’onde THz porteuse. Une approche pour contourner la limitation en sensibilité, en largeur de bande de détection et en débit peut être l’utilisation de la technologie mature des transistors bipolaires à hétérojonction InP (TBH InP) ou l’utilisation de nouveaux phénomènes physiques comme l'effet ratchet. Les améliorations des performances des TBHs InP 0.7 µm, ont déjà été accomplies au sein du consortium avec des fréquences de coupures au-delà de 350 GHz. Pour le défi en imagerie, la réduction des résistances et capacités parasites en font une alternative attractive pour des détecteurs avec une très large bande de détection. Pour le défi en communication sans fil à haut débit, les TBHs peuvent être intégrés avec la technologie des circuits robustes à très haut-débit déjà partiellement existante. Pour les cellules ratchet, de nouvelles versions de détecteurs THz ont été proposée, la plupart ayant montré une bonne sensibilité pour des fréquences en-deçà de 300 GHz. Le projet a permis d’investiguer en profondeur les phénomènes physiques sous-jacents pour élargir la gamme de fréquence de détection.

- Détecteurs rapides TBHs InP opérant dans un large domaine de fréquence (0.25–3.1 THz),
- Imagerie et tomographie validées pour les TBHs,
- Bande passante de modulation > 10 GHz pour les TBHs & communication THz hétérodyne avec transmission d’un signal TV HD à un débit de 1.5 Gbps avec porteuse à 300 GHz,
- Microdétecteurs THz autonomes à 300 K, avec effet prédominant de conduction plasmonique accru par un réseau de trous. A basse température, effet ratchet électronique prédominant lié à la conduction électronique asymétrique créé par le réseau de trous semi-circulaires.

Des perspectives et suites éventuelles données aux travaux, divers projets ont été envisagés :
- Poursuites des études en détection THz avec fourniture TBH InP III-V Lab:
• Communication sans fil (IES) : avec antennes intégrées et montées sur lentilles Si
• Biocapteurs THz pour l’agronomie (Thèse Région/L2C/IES en cours & Projet I-SITE MUSE soumis par L2C, en cours d’évaluation)
• Biocapteurs pour l’étude de la communication entre protéines (Thèse Région/L2C/IES en cours & IES : projet européen ITN Marie-Curie ITN début 2018)
• Détecteur MMIC (antenne+LNA+détecteur) pour capteurs THz des boîtiers T-Waves technologies
- Projet Européen Soumis
• Infrastructures for co-innovation in TERAhertz, microwave and infrared NOVel detection and imaging using Advanced Electronics (TERA-NOVAE), Research and Innovation Horizon 2020
- Projets transistors et circuits pour applications THz
• Largeur d’émetteur < 0.5µm, fT>750 GHz (projet ANR/FNS ULTIMATE)
• Amplificateurs 350-400 GHz et réseaux d’antennes (projet ANR TERAPACIPODE)

1. D Coquillat , V Nodjiadjim, A Konczykowska, N Dyakonova, C Consejo, et al., Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2015.
2. D Coquillat, A Duhant, M Triki, V Nodjiadjim, A Konczykowska, M Riet, N Dyakonova, O Strauss, W Knap , to be submitted to J. Appl. Physics (2017).
3. I Diouf, S Blin, A Pénarier, P Nouvel, L Varani, D Coquillat, V Nodjadjim, et al., to be submitted to Trans. on THz Sci. and Tech.
7. D Coquillat, V Nodjiadjim, S Blin, A Konczykowska, N Dyakonova, C Consejo, P Nouvel, A Pénarier, J Torres, D But, S Ruffenach, F Teppe, M Riet, A Muraviev, A Gutin, M Shur, W Knap, Int. J.l of High Speed Electronics and Systems 25, 03n04, 1640011 (2016).
11. N Dyakonova, D Coquillat, D But, C Consejo, F Teppe, W Knap, L Varani, S Blin, V Nodjiadjim, A Konczykowska, M Riet, Noise and Fluctuations (ICNF), 2017 International Conference on, IEEE, 1-4 (2017).
13. N Dyakonova, D Coquillat, D But, F Teppe, W Knap, V Nodjiadjim, M Riet, A Konczykowska, P Faltermeier, P Olbrich, S Ganichev, Proc. 42nd IRMMW-THz (Cancun, Mexico), 2017.
14. D Coquillat, V Nodjiadjim, A Duhant, M Triki, O Strauss, A Konczykowska, M Riet, N Dyakonova, W Knap, Proc. 42nd IRMMW-THz (Cancun, Mexico), 2017.
1. I Bisotto, E. Kannan, J. C. Portal, D. Brown, T. Beck, Y. Krupko, L. Jalabert, H. Fujita, Y. Hoshi, Y. Shiraki, T. Saraya, Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 045005 (2014).
2. I Bisotto, J-C Portal, D Brown, A Wieck , AIP Advances 5, 117128 (2015).
3. D Coquillat, J Marczewski, P Kopyt, N Dyakonova, B Giffard, W Knap, Optics Express 24, 272 (2016).
4. S Nahar, M Shafee, S Blin, A Pénarier, P Nouvel, D Coquillat, AME Safwa, W Knap, M Hella, The European Physical Journal Applied Physics 76 (2), 20101 (2016).
9. G Auton, D But, J Zhang, E Hill, D Coquillat, C Consejo, P Nouvel, W Knap, L Varani, F Teppe, J Torres, A Song, Nano Letters 17,7015 (2017).

Brevet national déposé: «Capteur de Rayonnement Electromagnétique», Fr 15 61792, I Bisotto, J-C Portal, 3/12/2015.

Situées entre les régions microondes et IR proche, les radiations Terahertz (THz) possèdent de nombreuses propriétés intéressantes pour des applications potentielles en imagerie et en communications sans fil. Dans cette gamme de fréquences, un certain nombre de dispositifs sont au stade de la recherche, avant de devenir des éléments de base de systèmes d'imagerie ou de transmissions sans fil.

Certains systèmes d'imagerie THz sont devenus des instruments de routine de laboratoire et ont trouvé plusieurs niches et applications industrielles. Néanmoins, jusqu'à présent, la plupart des détecteurs ont encore une vitesse d'acquisition d'image relativement lente.

En parallèle, au cours des dix dernières années, plusieurs groupes ont examiné les perspectives d'utilisation du rayonnement THz comme un moyen de transmettre des données pour les futurs systèmes multi-Gbit/s de communication à courte portée. En effet, pour répondre à la demande de débits de données de plus en plus élevés, la seule possibilité est d'augmenter la bande passante disponible à plusieurs dizaines de gigahertz. Cela signifie que la fréquence de l'onde porteuse doit être au-dessus de 300 GHz. Or, la création de systèmes de communication sans fil avec une porteuse THz nécessite une amélioration significative des détecteurs fonctionnant au-delà de 300 GHz, avec une sensibilité élevée et une grande vitesse de fonctionnement. L'idée principale du projet NADIA est d'étudier le potentiel de détecteurs THz à haute vitesse de modulation, basés sur des dispositifs à semiconducteurs. NADIA vise l'obtention d'une détection THz efficace, exploitant un nouveau concept physique de l'effet ratchet. L'asymétrie spatiale créée par le réseau d'antidots semi-circulaires des cellules ratchet force les électrons, sous influence du rayonnement THz, à se déplacer de manière préférentielle dans la direction de l'axe du semi-disque. Le courant résultant est le signal de détection. Jusqu'à présent, quelques détecteurs THz basés sur l'effet ratchet et composés de nanostructures semiconductrices ont été proposés. La plupart d'entre eux ont montré une grande sensibilité et une faible puissance équivalente de bruit pour les fréquences inférieures à 300 GHz. Ce projet permettra d'étudier en profondeur les phénomènes physiques sous-jacents afin d'élargir la gamme de fréquences de détection et d'étudier une autre caractéristique très importante de ces dispositifs – leur vitesse. Nous proposons l'exploration de l'amélioration de ces détecteurs, par leur intégration dans des circuits intégrés à haute vitesse. La recherche sur les transistors rapides est également motivée par diverses applications, y compris l'imagerie, comme les transmissions optiques et les communications sans fil à très haut débit. Les progrès récents des TBH InP avec des fréquences de coupure de plusieurs centaines de gigahertz, les qualifient en tant qu’éléments clés dans de tels systèmes, par exemple pour les étages amplificateurs, les oscillateurs locaux, les drivers de modulation, etc. A cet égard, les dispositifs TBH de 0,7 µm à base d'InP développés au sein du consortium ont montré les meilleures performances en atteignant fT au-delà de 300 GHz et fmax au-delà de 400 GHz, tout en gardant la capacité de fabrication de circuits moyennement complexes. Le principal défi de NADIA pour le TBH est d'être en mesure de redresser efficacement le potentiel alternatif induit par le rayonnement THz incident, en un photovoltage continu détectable. Un des mécanismes possibles de rectification implique le comportement non linéaire des caractéristiques I-V. Profitant de sa bande passante record, la technologie TBH InP permettra de créer de nouveaux détecteurs THz large bande, offrant également une tension de claquage élevée, grâce à un facteur de mérite de Johnson supérieur. En outre, la capacité d'intégrer efficacement les antennes pour coupler le rayonnement THz incident offrira de meilleures performances au détecteur.

Coordination du projet

Dominique COQUILLAT (Laboratoire Charles Coulomb)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

TERALAB Laboratoire Charles Coulomb
III-V Lab III-V Lab

Aide de l'ANR 954 617 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2014 - 42 Mois

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