Projet ANR-13-NANO-0008 – NADIA : NAno Détecteurs Intégrés pour Applications terahertz
Programme : Nanotechnologies et nanosystèmes (P2N) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Dominique COQUILLAT (Laboratoire Charles Coulomb)
Partenaires : III-V LAB; Laboratoire Charles Coulomb; Laboratoire public
Montant : 954617.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : 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.