Optoélectronique THz en GaN – OptoTeraGaN

Le domaine des fréquences térahertz (THz), entre les micro-ondes et l’infrarouge, a été surnommé « gap THz » du fait de l’absence de dispositifs semiconducteurs compacts. L’exploration de cette région spectrale est en plein essor au vu des applications potentielles dans des domaines aussi variés que le diagnostic médical, la sécurité, la détection de molécules à l’état de trace, la détection astronomique, le contrôle non-destructif des matériaux ou les communications sécurisées à très haut débit en espace libre. Un prérequis pour les applications à caractère scientifique (spectroscopie, astrophysique, imagerie spatiale, …) est la disponibilité de photodétecteurs bas-bruit, compacts et rapides. L’exigence d’une forte détectivité impose un refroidissement cryogénique du détecteur et l’enjeu est d’augmenter la température de fonctionnement. En revanche, pour le développement généralisé de la technologie THz dans le domaine public, il est crucial de disposer de sources compactes fonctionnant à température non-cryogénique.

Le projet OptoTeraGaN entend apporter des solutions nouvelles dans ces deux domaines en utilisant le principe de la cascade quantique et les matériaux GaN/AlGaN, à savoir : le développement de détecteurs quantiques THz fonctionnant à température plus élevée que l’existant mais aussi la démonstration de sources THz. Nous mettrons à profit l’énergie très élevée des phonons optiques dans le GaN pour réaliser des dispositifs à cascade quantique dans une gamme spectrale étendue (1 à 15 THz) et en particulier dans la gamme 5-12 THz inaccessible aux autres semiconducteurs III-V. Cette grande énergie des phonons est aussi un atout pour réaliser des sources THz à cascade quantique à température ambiante, ce que ne permet pas la technologie actuelle en GaAs.

Le premier objectif est de démontrer des photodétecteurs à cascade quantique THz (QCD). A la différence des détecteurs quantiques THz comme les QWIPs GaAs, les QCDs fonctionnent sans tension appliquée et ne présente pas de courant d’obscurité, ce qui est un atout majeur pour augmenter leur température de fonctionnement en régime BLIP (détectivité maximale limitée par le bruit de scène). Notre objectif est de réaliser des QCDs THz avec une photoréponse d’au moins 0.1 A/W et une température BLIP de 77 K à 12 THz.


Un second objectif lié au précédent est de progresser de manière significative vers la réalisation de lasers THz à cascade quantique (QCL) en GaN. Nous mettrons à profit le savoir-faire acquis sur la conception, l’élaboration et la fabrication des QCDs THz en GaN pour développer des sources THz électroluminescentes. En premier lieu, notre objectif est de réaliser des sources THz sous injection électrique dans le plan des couches avec une puissance de quelques microWatts à température ambiante de forte utilité pour les applications nécessitant une fréquence élevée de modulation. Notre objectif final est de démontrer l’existence d’un gain stimulé sous transport vertical dans des dispositifs à guide d’onde métallique et l’effet laser à température cryogénique.

Le consortium qui regroupe des équipes en pointe au niveau international sur l’élaboration des matériaux nitrures par EJM et EPVOM, les dispositifs intersousbandes (ISB) GaN, la technologie et la caractérisation des QCD/QCL THz, a été soigneusement assemblé afin de répondre aux objectifs de ce projet ambitieux de recherche fondamentale. La démonstration récente par les membres de ce consortium de QCDs moyen-infrarouge performants en GaN ainsi que de l’absorption et de l’électroluminescence ISB dans le THz de puits quantiques GaN sont des résultats préliminaires majeurs qui constituent le socle de ce projet.

Le projet OptoTeraGaN à fort impact technologique et scientifique est en adéquation avec le défi n°7 société de l’information et de la communication: micro et nanotechnologie, optoélectronique.