Réalisation et caractérisation de détecteurs submillimétriques et térahertz par des composants à effets de champs à base de nitrure de Gallium

Fabrication and characterization of Gallium nitride based high electron mobility transistors as millimeter and terahertz radiation detector

• Auteur / Autrice : Kamel Madjour
• Direction : Christophe Gaquière, Didier Théron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-cornets

Transistors à effet de champ

Nitrure de gallium

Imagerie microonde

Rayonnement terahertz

Détecteurs de microondes

Mots clés libres

Détecteurs de radiations

Résumé

Ces travaux de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de détecteurs de radiations sub-millimétriques et térahertz par des composants à effets de champs à base d'hétérojonctions de nitrure de Galium (AlGaN/GaN). La première partie de ces travaux présente un état de l'art des différents types de détecteurs de rayonnement térahertz existants que ce soit par une approche électronique, optique ou optoélectronique. Elle permet d'effectuer un comparatif de leurs performances. La seconde partie aborde les aspects de design et de procédés technologiques pour la fabrication de ces composants à base de nitrure de Galium. Elle expose plus particulièrement les difficultés rencontrées et les solutions mises en places lors de la fabrication de composants à réseaux de grilles. La troisième partie concerne la caractérisation en espace libre de ces différentes topologies de détecteurs pour des fréquences allant jusque 550GHz (i.e. NEP, SNR, comparatif avec l’intégration d’antenne cornet…). Cette partie expose les premières mesures d'imagerie en temps réels réalisées à l'aide de détecteur térahertz à base d'hétérojonctions AlGaN/GaN. La dernière partie aborde, quant à elle, l'étude intrinsèque des performances des détecteurs. Celle-ci est basée sur la théorie du mélange résistif. Une modélisation du comportement non linéaire du détecteur est réalisée. Elle s'appuie sur des mesures de mélange faites à l'aide d'un nouveau type de bancs de mesures sous pointes développés au sein du laboratoire. En conclusion, un bilan sur les performances de différentes topologies étudiées essaiera d'offrir des pistes de réponses aux interrogations légitimes sur le sujet abordé.

This thesis relates to the fabrication and the characterization of different types of Gallium nitirde based high electron mobility transistors (GaN/AlGaN heterojunction based HEMT) as millimeter and terahertz radiations detectors. The first part of this work presents a state of the art of different types of THz radiation detectors either by electronics, optics or optoelectronics approaches. This part allows a comparison of their performances. The second part deals with design and process technologies to the fabrication of GaN/AlGaN based devices. This part explains particular difficulties encounterd and solutions omplemented in the process fabrication of gratting-gate transistors. The third part describe the experimental results in free-space, up to 550GHz, of these different types of detectors (i.e. NEP, SNR, integrated horn antenna...). This part outlines the THz real-time imaging performed for the first time with GaN/AlGaN based detectors. The last part deals with the study of the intrinsic performance of these detectors. This study is based on the resistive-mixing theory in HEMTs. Modeling of the nonlinear behavior of transistors is achieved. This part relies on resistive-mixing measurements made using a new type of an on-wafer measurement bench developed in our laboratory. In conclusion, a report on the performances of all detectors studies in this thesis is done. This conclusion attempts to answer in the reasonable questions.