Composants plasmoniques à base d’hétérojonction AlGaN/GaN pour les applications terahertz

AlGaN/GaN based plasmonic components for terhertz applications

• Auteur / Autrice : Simon Vandenbrouck
• Direction : Christophe Gaquière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 03/12/2009
• Etablissement(s) : Lille 1
• DOI : 10.70675/74baf9dbz7072z4785za737z89c35af0d541

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Guides d'ondes

Nanofils

Transistors à effet de champ

Ondes de plasma

Micro-ondes

Rayonnement terahertz

Nitrure de gallium

Mots clés libres

Hétérojonctions

Résumé

Les travaux traitent la détection et la génération d’ondes TeraHertz dans les hétérojonctions AlGaN/GaN à l’aide des ondes de plasma. Après avoir décrit la nature d’un plasma et calculé les paramètres de base, soit la fréquence plasma, la théorie de Dyakonov-Shur est présentée en détails. Dans un souci de mieux comprendre les mécanismes d’interaction des ondes plasma et de l’onde électromagnétique, nous étudions des structures simplifiées. Celles-ci sont constituées d’un guide à onde de plasma. Nous présentons des mesures en transmission des guides en régime THz réalisées à l’aide d’un banc de mesure employant un laser à impulsion ultra courte femtoseconde. Cette étude a montré qu’à température ambiante, la nature amortie des ondes de plasma rend leur mise en évidence délicate. Le modèle montre qu’à 77K ces ondes de plasma sont beaucoup moins amorties et devraient pouvoir être mise en évidence. Enfin des transistors à effet de champ à base de nanofils de GaN ont été fabriqués. Cette étude est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire IEMN et celui de Charles Lieber à Harvard, qui a joué un rôle pionnier en matière de nanofils de GaN réalisés par MOCVD. Une description détaillée des méthodes de fabrication des transistors à base de fils de GaN est réalisée. Ces travaux ont démontrés pour la première fois les potentialités de ce type de nanofils pour le futur. Une large part de ces travaux a consisté en la description de la méthodologie adoptée pour mesurer en régime hyperfréquence les propriétés des transistors fabriqués. La conclusion de cette étude est que les propriétés extrinsèques dominent le fonctionnement des transistors, au détriment de leurs propriétés intrinsèques. Des méthodes d’analyse permettant d’extraire les paramètres intrinsèques ont ainsi été développées, ce qui a permis de démontrer que ces transistors possèdent une fréquence de coupure en puissance de 12 GHz.

This work studies the TeraHertz detection and generation thanks to plasma wave oscillation in AlGaN/GaN quantum well. After describing the nature of a plasma, we calculate the plasma resonant frequency and introduce the Dyakonov-Shur theory. For a more comprehensive purpose we introduce a simplified structure compared to microwave transistors, as a plasmonic wave guide. The aim of this structure is to study the interaction between the plasma wave and the electromagnetic one. We show in this report transmission measurement of this structure in THz regime thanks to a measurement set up based on a femtoseconde laser. This study shows that at room temperature, the plasma wave is over dumped which make them critical for measurement. The model developed in this work shows that plasma wave oscillation could be more easily characterized at 77K. Finally field effect transistors based on GaN nanowires have been processed. This study result of the collaboration between IEMN laboratory and Charles Lieber research group based at Harvard University. This work has demonstrated for the first time the potentiality of such a kind of nanowire for future applications. We show in this report how the transfer between growth substrate and the dedicated one for device processing has been handled. The aim of this work was to process transistors based on nanowires for microwave applications. The conclusion of this work shows that extrinsic parameters of those transistors are huge compared to nanowires intrinsic ones. Therefore an innovative deembedding method has been developed for intrinsic parameters extraction. We show 12 GHz maximum available gain cut-off frequency which makes this result as the state of the art