Brevet FR2932616A1 — publié le 20091218

La présente invention concerne un dispositif laser d'émission d'onde dans une gamme de fréquence comprise entre 0,5 THz et 5 THz. Le domaine Térahertz (THz) du spectre électromagnétique est compris entre les micro-ondes et l'infrarouge lointain et s'étale de 500 GHz (0,5 THz) à 5 THz (typiquement 1 THz correspond à une énergie de 4 meV ou encore à une longueur d'onde dans le vide de 300 �m). Les sources THz trouvent leurs principales applications dans la spectroscopie et l'imagerie dans les domaines de la sécurité et de la médecine. Elles peuvent par ailleurs être employées pour les télécommunications en espace libre à courte distance (par exemple à l'intérieur des immeubles) pour l'analyse non destructive d'aliments, de couches de finition, de circuits intégrés. Les technologies THz sont décrites de façon générale dans les documents � Cutting-edge terahertz technology � (M. Tonouchi, Nature Photonics, février 2007, p. 97) et � Terahertz technology : a land to be discove- red � (M. Koch, Optics and Photonics News, mars 2007, p. 21). Dans le contexte de la spectroscopie THz, on distingue en général la spectroscopie à large bande dans le domaine temporel (THz-TDS ou � THz Time Domain Spectroscopy �) et la spectroscopie utilisant une source THz monochromatique (CW ou �Continuous Wave �). De par leur résolution fré- quentielle intrinsèquement limitée, les systèmes TDS sont surtout employés pour la spectroscopie de structures à faibles facteurs de qualité. En effet, dans une expérience de TDS typique, la fenêtre de temps est de 100 ps, d'où une résolution fréquentielle de 5 GHz. D'un autre côté, les sources THz continues et monochromatiques CW ont trouvé un vaste champ d'applications en spectroscopie astronomique ou dans l'étude des réactions chimiques se déroulant dans la haute atmosphère, où les résonances THz mises en jeu ont souvent des facteurs de qualité entre 102 et 106. La spectroscopie THz présente par ailleurs de grandes applications en sécurité civile et militaire, par exemple dans la détection d'agents chimi- ques ou d'explosifs. Dans toutes les situations où le produit analysé se trouve en phase gazeuse, les spectres acquis par une méthode CW ont une résolution bien supérieure à celle des spectres obtenus par une méthode TDS. La technologie TDS est quant à elle très largement utilisée pour la caractérisation de matériaux en phase condensée. Concernant les sources TDS, les sources traditionnelles de rayonne-ment THz, comme les lasers à gaz ou les oscillateurs � backward wave os- cillators �, sont chères et encombrantes. Les sources THz reposant sur des ensembles d'oscillateurs solides sont aussi onéreuses. Aujourd'hui, les dis-positifs les plus utilisés pour générer et détecter des impulsions THz large bande sont les antennes dipolaires photoconductrices excitées par un laser femtoseconde, qui est souvent coûteux et volumineux. De tels dispositifs sont décrits dans le document "Sensing with Terahertz Radiation" (D. Mittleman Springer-Verlag, Heidelberg (2003)). On connaît par ailleurs différentes sources de type CW. Une première source connue de type monochromatique CW utilise la technique de photomélange ou � Photomixing � : l'hétérodynage optique permet de générer une onde THz continue. Le battement de deux diodes laser continues émettant autour de 800 nm et désaccordées de quelques THz induit une oscillation de charge dans la bande de conduction d'un semi-conducteur tel que GaAs ou InGaAs semi-isolants. Toutefois, les démonstrateurs réalisés à ce jour sont des systèmes non intégrés et les puissances THz maximales générées restent relative-ment faibles, de l'ordre de 100 nW, comme le montrent les documents "Photomixing up to 3,8 THz in low-temperature-grown GaAs" (E. R. Brown et al., Appl. Phys. Lett. 66, 285, (1995)) et "Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers" (S. Verghese et al., Appl. Phys. Lett. 73, 3824 (1998)). Les lasers à cascade quantique constituent un second type de sources monochromatiques CW dans le domaine THz. De telles sources sont décrites dans le document "Terahertz semiconductor-heterostructure laser", R. Kohler et al., Nature 417, 156 (2002). Ces sources permettent de générer une puissance plus élevée, mais elles sont peu accordables et ne fonctionnent qu'aux températures cryogéniques. Pour cette dernière raison, ces sources sont des systèmes encombrants et complexes. Une troisième source connue de type CW utilise la technique de conversion de fréquence. Les effets non linéaires du second ordre sont ainsi utilisés pour la génération et l'amplification de THz, en suivant différentes approches : - mélange de lasers moyen infrarouge dans du GaAs massif tel que décrit dans le document "Noncolinear phase matching in GaAs" (L. Aggarwal et al., Appl. Phys. Lett. 22, 239, (1973)) ; - mélange d'impulsions ultra brèves proches infrarouges dans des cris-taux tels que ZnSe, LiNbO3 tel que décrit dans le document "Generation of Far-Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses in LiNbO3" (K. H. Yang et al., Appl. Phys. Lett. 19, 320, (1971)), ou LiNbO3 retourné périodiquement (PPLN ou � Periodically Poled Lithium Niobate �) tel que décrit dans le document � Generation of narrow-band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in 15 periodically poled lithium niobate � (Y.-S. Lee et al.,Appl. Phys. Lett. 76, 2505 (2000)). De par son fort coefficient non linéaire et ses faibles pertes dans le domaine THz (-1 cm-1), le GaAs constitue un matériau de choix pour ces applications. Le document "Terahertz-wave generation in quasi-phase- 20 matched GaAs" (K. L. Vodopyanov et al., Appl. Phys. Lett. 89, 141119, (2006)) décrit la génération d'ondes THz de 0,9 à 3 THz dans du GaAs périodiquement inversé, avec une efficacité de conversion de 10-3 en utilisant deux faisceaux de pompe au voisinage de 3 �m. Toutefois, tous ces systèmes ne sont ni compacts, ni aisés à mettre 25 en oeuvre hors d'un laboratoire de recherche. Le document "Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides" (V. Berger and C. Sirtori, Semicond. Sci. Technol. 19, 964 (2004)) propose d'exploiter la dispersion anormale créée par l'absorption par la bande de phonon dans GaAs pour accorder en phase deux faisceaux de 30 pompe proche IR (Infrarouge) et le faisceau THz généré dans un guide d'onde de type � ridge �; cette proposition n'a pas encore fait l'objet d'une démonstration expérimentale. Par ailleurs, tout comme les autres solutions, elle ne permet pas d'obtenir un système compact. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dis-positif laser compact d'émission d'onde lumineuse dans une gamme de fréquence comprise entre 0,5 THz et 5 THz permettant de s'affranchir des limitations mentionnées ci-dessus en termes d'encombrement, de complexité et de coût. A cette fin, l'invention propose un dispositif laser d'émission d'onde dans une gamme de fréquence comprise entre 0,5 THz et 5 THz comportant une hétérostructure semiconductrice, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite hétérostructure est de forme cylindrique à section circulaire, ladite 1 o hétérostructure comportant : - une première couche en matériau semiconducteur optiquement non linéaire incluant des moyens émetteurs aptes à émettre dans au moins deux modes de galerie optiques appartenant au proche infra-rouge, lesdits au moins deux modes de galerie étant confinés dans 15 ladite première couche et permettant la génération au sein de ladite première couche d'un rayonnement dans un mode de galerie électromagnétique de fréquence comprise entre 0,5 THz et 5 THz, dit mode Térahertz, ledit rayonnement étant obtenu par différence des fréquences desdits deux modes de galerie, la géométrie cylindrique 20 de ladite hétérostructure assurant l'accord de phase entre les deux modes de galerie optiques appartenant au proche infrarouge et le mode Térahertz à la fréquence différence; - une deuxième et une troisième couche en matériau semiconducteur présentant chacune un indice optique plus faible que l'indice du maté- 25 riau utilisé pour ladite première couche et situées de part et d'autre de ladite première couche ; - au moins une couche métallique située à une extrémité de ladite hétérostructure. On entend par proche infrarouge un rayonnement de longueur d'onde 30 comprise entre 0,7 pm et 1,4 pm. On entend par mode de galerie optique un mode résultant de la ré-flexion de rayons lumineux sur la paroi cylindrique intérieure de la première couche formant microcavité réalisée dans un matériau dont l'indice de ré- fraction est plus élevé que le milieu qui l'entoure (i.e. l'air). Les rayons restent en général confinés le long de la paroi cylindrique et ne passent pas par le centre de la microcavité. Grâce à l'invention, l'onde THz est générée par différence de fré- quence (i.e. conversion paramétrique) à partir de deux modes de galerie appartenant au proche infrarouge et présents dans ladite première couche centrale formant microcavité de type microcylindre : la réflexion sur l'interface semiconducteur-air du microcylindre conduit à la formation de modes de galerie THz. Les modes de galerie à très haut facteur de qualité Io sont excités par des émetteurs tels que des boîtes ou des puits quantiques. Les émetteurs sont préférentiellement pompés électriquement mais peuvent également être pompés optiquement. Le dispositif selon l'invention permet l'émission continue ou quasi continue de radiations électromagnétiques THz. 15 La géométrie cylindrique de l'invention avec des émetteurs à l'intérieur de la première couche cylindrique permet d'aboutir à la génération de hautes puissances THz au sein d'une source compacte. La symétrie cylindrique de la première couche centrale en matériau semiconducteur optiquement non linéaire tel que du GaAs favorise l'accord de phase entre les 20 modes de galerie optiques et le mode THz. La couche métallique située à une extrémité de l'hétérostructure cylindrique assure le confinement vertical du mode THz selon le principe des guides métalliques plasmoniques. Ce confinement permet d'augmenter l'efficacité du rendement de conversion non linéaire. La couche métallique 25 permet également l'injection des porteurs de charge dans le cas d'un pompage électrique des émetteurs. La géométrie selon l'invention permet par ailleurs d'optimiser simultanément et indépendamment le confinement vertical des modes de galerie optiques et celui du mode THz, en jouant sur les épaisseurs des différentes 3o couches, en particulier les épaisseurs des deuxième et troisième couches en matériau semiconducteur tel que du AIGaAs. Ceci permet de maximiser le recouvrement entre les modes optiques et le mode THz. On notera que les deuxième et troisième couches permettent non seulement de régler l'espacement entre le miroir et la couche active comportant les émetteurs mais également de réaliser le confinement optique latéral du mode THz. La géométrie selon l'invention offre en outre, de par sa forme cylindrique sans étranglement, une bonne évacuation de la chaleur vers le substrat, assurant la stabilité en puissance des propriétés du laser et permettant d'atteindre des puissances laser compatibles avec la génération non linéaire de THz. Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, ladite hétérostructure de forme cylindrique comporte une zone centrale semi-isolante 1 o s'étendant sensiblement entre les deux extrémités de ladite hétérostructure. Cette zone centrale permet d'améliorer les performances du dispositif selon l'invention, lorsque ce dernier est pompé électriquement, puisque le courant de pompe est alors efficacement canalisé dans la zone active du dispositif, c'est-à-dire la circonférence de la première couche active qui sup- 15 porte les modes de galerie proches infrarouges. Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plu-sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit dispositif selon l'invention comporte deux couches métalliques si- 20 tuées chacune à une extrémité de ladite hétérostructure ; - ladite ou lesdites couches métalliques sont réalisées en or ; - lesdits moyens émetteurs sont réalisés selon l'une des formes sui- vantes : - un ou une pluralité de puits quantiques ; 25 - un ou une pluralité de plans de boites quantiques ; - une ou une pluralité de structures à cascade quantique ; - ledit matériau semiconducteur optiquement non linéaire de ladite première couche est un matériau III-V tel que le GaAs ou InGaAsP ou un matériau Il-VI ; 30 - le matériau semiconducteur desdites deuxième et troisième couche est du Al Ga1_XAs avec 0,2 Enfin, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 5 10 15 20 25 30 - Croissance épitaxiale par dépôt sur un substrat semiconducteur d'une structure comportant au moins les couches suivantes dans cet ordre à partir du substrat : � une couche semiconductrice sacrificielle ; � une première couche semiconductrice de protection ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite deuxième couche ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite première couche, ladite couche comportant des moyens émetteurs ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite troisième couche ; � une deuxième couche semiconductrice de protection ; - Report sur un substrat hôte préalablement métallisé de ladite structure épitaxiée de sorte que la deuxième couche de protection est en contact avec le métal dudit substrat hôte; - Amincissement dudit substrat semiconducteur par abrasion mécanique ; - Attaque chimique sélective dudit substrat sur l'épaisseur restante, ladite couche sacrificielle étant utilisée comme couche d'arrêt ; - Attaque chimique sélective de ladite couche sacrificielle, ladite première couche de protection étant utilisée comme couche d'arrêt; - Réalisation d'un masque définissant une ouverture de diamètre inférieure au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique ; - Implantation ionique rendant semi-isolante la zone non protégée par ledit masque; - Elimination dudit masque ; - Dépôt d'une couche métallique circulaire de diamètre égal au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique; - Gravure des parties non recouvertes par ladite couche métallique circulaire de façon à former l'hétérostructure de forme cylindrique. Avantageusement, ledit masque définit une ouverture de diamètre in- férieur de 1 à 2 �m au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - les figures 1 a à 1 c illustrent un exemple de réalisation d'un dispositif laser selon l'invention; - les figures 2 a à 2 f illustrent les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif tel que représenté aux figures 1 a à l c ; - la figure 3 représente schématiquement un réseau intégrant une plu- ralité de dispositifs selon l'invention et formant une source agile en fréquence. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 a représente un mode de réalisation d'un dispositif laser 1 selon l'invention. La figure 1 c est une vue en coupe selon un plan vertical de ce même dispositif 1. Le dispositif 1 selon l'invention est une source continue ou quasi continue de radiations électromagnétiques THz. La génération du rayonne-ment THz est assurée par conversion paramétrique (i.e. différence de fré- quences) à partir de deux modes optiques d'un microlaser semiconducteur à modes de galerie. Le dispositif 1 comporte ainsi une hétérostructure semiconductrice 2 cylindrique dont les extrémités sont chacune couvertes d'une couche métallique (par exemple en or) formant respectivement un miroir supérieur 3 et un miroir inférieur 4. Le diamètre de l'hétérostructure cylindrique 2 est typique-ment compris entre 30 et 100 �m. Cette hétérostructure semiconductrice 2 repose sur un substrat hôte 15 bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, par exemple un substrat métallique ou un substrat GaAs dopé. La figure 1 b représente les différentes couches de l'hétérostructure semiconductrice 2 à géométrie cylindrique. Ainsi cette hétérostructure 2 comporte de bas en haut : - le miroir inférieur 4 ; - une fine couche 5 (quelques nm, typiquement entre 2 et 10 nm) de GaAs dopée n ; - une couche 6 d'alliage Al Ga,_XAs dopée n (avec typiquement 0,2 Comme déjà mentionné plus haut, on entend par proche infrarouge un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 0,7 pm et 1,4 pm et par mode de galerie optique un mode résultant de la réflexion de rayons lumineux sur la paroi intérieure de la couche 7 de GaAs formant microcavité cylindrique. Les rayons restent confinés le long de la paroi et ne passent pas par le centre de la microcavité. La génération du mode THz est assurée par différence de fréquences à partir des deux modes de galerie. La difficulté de l'obtention de la génération paramétrique est liée à la nécessité de ce que l'homme du métier appelle l'accord de phase : du à la dispersion de l'indice optique avec la longueur d'onde, les différentes ondes interagissant (modes optiques proche I R et mode THz) ne se déplacent pas à la même vitesse dans le matériau. Il en résulte que l'interaction non linéaire peut rapidement devenir destructive et le processus perd de son efficacité. Pour obtenir une génération paramétrique efficace, il est donc nécessaire d'obtenir l'accord de phase qui assure le maintien d'une interaction constructive tout le long de la propagation. La géométrie cylindrique du dispositif 1 permet de réaliser l'accord de phase entre les deux modes du microlaser et le mode THz à la fréquence différence. Des travaux récents, décrit par exemple dans le document "Whispering-gallery-mode analysis of phase-matched doubly reso- nant second-harmonic generation" (Y. Dumeige and P. Féron,Phys. Rev. A 74, 063804 (2006)) montrent qu'un choix judicieux de modes de galerie permet de réaliser un quasi-accord de phase dans un microcylindre de GaAs, et d'obtenir potentiellement une interaction non linéaire efficace dans le cas du doublage de fréquence. L'utilisation d'une couche active 7 à base de GaAs présente des avantages importants liés à ce matériau : - Sa technologie très mature, - Son fort indice optique, - Son coefficient non linéaire élevé. Tandis que le premier point permet de réaliser des dispositifs compacts à faible coût, le fort confinement optique et la non-linéarité élevée sont susceptibles de donner lieu à des forts rendements de conversion. Le confinement des deux modes de galerie proche IR est assuré par la couche active 7. La géométrie cylindrique de la couche active 7 assure un confinement vertical de la lumière proche infrarouge (X-1 pm) et la réflexion sur l'interface semiconducteur-air de cette couche microcylindrique 7 donne naissance à des modes de galerie proches infrarouges. Les modes de gale-rie sont caractérisés par leur polarisation - transverse électrique (TE) ou transverse magnétique TM - et par trois nombres entiers, qui caractérisent leur ordre vertical (correspondant à l'ordre du mode suivant la direction verticale du cylindre), radial (correspondant à l'ordre du mode suivant le rayon du cylindre) et azimutal. La couche active 7 ne permet en revanche pas le confinement du mode THz. Le confinement vertical du mode THz est assuré par les deux miroirs supérieur et inférieur 3 et 4. Ces deux miroirs métalliques 3 et 4 forment un guide pour les ondes électromagnétiques THz et assurent un confinement vertical record du mode THz, selon le principe des guides métalliques plasmoniques pour les ondes THz ; un tel type de confinement est décrit dans le document "Terahertz quantum-cascade laser at = 100 �m using metal waveguide for mode confinement" (B. S. Williams et al., Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003)). Ce confinement permet d'augmenter l'efficacité du rendement de conversion non linéaire dans le cadre du dispositif 1 selon l'invention. On notera que le principe de guide métallique plasmonique peut également s'appliquer avec un seul miroir (dans ce cas, le confinement vertical du mode THz est également de type plasmonique mais avec un seul miroir autorisant une excitation optique des émetteurs, la présence d'un seul miroir entraînant cependant une perte en confinement du mode THz). La réflexion sur l'interface semiconducteur-air du microcylindre 7 conduit à la formation de modes de galerie THz. Les couches 6 et 8 d'Al Ga1_XAs permettent d'éloigner le mode guidé des miroirs métalliques 3 et 4 et de limiter les per-tes optiques par absorption dans le métal. Les modes optiques infrarouges 1 o confinés dans la couche active centrale de GaAs, ont en effet tendance à � baver � dans les couches 6 et 8 d'Al Ga1_XAs. Dès lors, si les miroirs métalliques sont trop près de la couche centrale, les modes optiques infrarouges sont susceptibles d'être absorbés par le métal. L'épaisseur des couches 6 et 8 d'Al Ga1_XAs est donc choisie de manière à minimiser les pertes des 15 modes optiques infrarouges. Les couches 6 et 8 assurent donc un rôle d'espaceur entre la couche active 7 et les miroirs 3 et 4. Ces couches 6 et 8, de par leur indice élevé, assurent par ailleurs un confinement latéral du mode THz. La coupe verticale du dispositif 1 telle qu'illustrée en figure 1 c repré- 20 sente une zone semi-isolante 14 correspondant à la partie centrale de l'hétérostructure 2. Cette zone 14 est sensiblement cylindrique (concentrique au cylindre formé par l'hétérostructure 2). Comme nous le verrons plus tard en référence à la description du procédé de fabrication, cette zone semiisolante 14 peut être par exemple obtenue par une étape d'implantation io- 25 nique. Cette zone 14 permet d'améliorer les performances du dispositif 1 selon l'invention puisque le courant de pompe est alors efficacement canalisé dans la zone active du dispositif 1, c'est-à-dire la circonférence de la couche active 7 de GaAs qui supporte les modes de galerie proches infrarouges. Les flèches illustrent le passage du courant de pompe au sein du dispositif 30 1. Selon l'invention, la même hétérostructure semiconductrice 2 assure les fonctions de source laser de pompe et de conversion de fréquence. Cette approche permet potentiellement d'éliminer tous les problèmes d'alignement optique et simplifie énormément le packaging du dispositif 1 selon l'invention. Elle aboutit à un dispositif 1 émetteur de radiation THz extrêmement compact. On notera qu'il est également possible d'inverser les couches dopées p et n (i.e. faire passer les couches ayant un dopage n au niveau supérieur et les couches ayant un dopage p au niveau inférieur) sans sortir du cadre de l'invention : les prises de contact électrique devront bien entendu être adaptées au type de dopage. A titre purement illustratif, on trouvera ci-dessous un exemple de di- mensionnement du dispositif 1 selon l'invention : on sait que la séparation spectrale entre modes de galerie dépend de l'indice effectif du mode guidé et du diamètre du cylindre. Le diamètre sera donc choisi de façon à obtenir une émission THz dans la gamme spectrale voulue, et à réaliser la condition d'accord de phase entre les deux modes proches-infrarouges et le mode THz. Considérons à titre d'exemple la structure définie par les paramètres suivants : - épaisseur de la couche guide active 7 en GaAs : 325 nm ; - composition et épaisseur des couches espaceurs 6 et 8 de confine-ment optique : A1o,6Gao,4As, 2800 pm - diamètre de l'hétérostructure cylindrique 2: 42 pm Dans l'exemple illustré ci-dessus, le calcul des modes de galerie de la structure montre que l'accord de phase est obtenu entre les modes proches-infrarouges TE0,1,946 (X= 0,917 �m) et TE 0,1,948 (X= 0,905 �m), et le mode THz TMo,1,4 (a,= 70 lm ou 4,3 THz). Concernant le choix du milieu émetteur, on notera que les microlasers à mode de galerie utilisant comme émetteur un ou des puits quantiques tendent à présenter un comportement monomode pour des courants d'injection nettement supérieurs au courant de seuil. L'élargissement de la courbe de gain du puits quantique est en effet de nature homogène, ce qui permet une compétition entre modes au-dessus du seuil. Les boîtes quantiques apportent ici une solution potentiellement plus performante car leur courbe de gain présente naturellement un fort élargissement inhomogène (60 à 100 meV pour des boîtes d'InAs dans GaAs), du fait de la dispersion en taille des boî- tes quantiques. Dans ces conditions, plusieurs modes de galerie se trouvent dans la bande d'amplification du milieu actif. La largeur homogène du gain, de l'ordre de 10 meV à température ambiante, est nettement plus faible que sa largeur inhomogène, ce qui permet d'observer l'effet laser pour plusieurs modes de galerie. En termes de performances du dispositif laser 1 selon l'invention, la géométrie microcylindre est supérieure à celle d'un microdisque car elle permet une bonne évacuation de la chaleur vers le substrat, assurant la stabilité en puissance des propriétés du laser et permettant d'atteindre des 1 o puissances laser compatibles avec la génération non linéaire de THz. La géométrie cylindrique du dispositif 1 selon l'invention avec des émetteurs à l'intérieur permet d'aboutir à la génération de hautes puissances THz au sein d'une source compacte. Cette géométrie présente les avantages suivants : 15 - La symétrie cylindrique de la partie centrale en GaAs favorise l'accord de phase entre les modes optiques et le mode THz. - Elle permet d'optimiser simultanément et indépendamment le confinement vertical des modes de galerie optiques et celui du mode THz, en jouant sur les épaisseurs des différentes couches (particulière- 20 ment les couches de confinement optique en AIGaAs). Ceci permet de maximiser le recouvrement entre les modes optiques et le mode THz. - La zone centrale semi-isolante permet une injection efficace des porteurs de charges à la périphérie de la couche centrale de GaAs, qui 25 supporte les modes de galerie optiques. - La géométrie cylindrique permet une bonne évacuation de la chaleur vers le substrat, assurant la stabilité en puissance des propriétés du laser et permettant d'atteindre des puissances laser compatibles avec la génération non linéaire de THz. 30 On notera que l'une des spécificités du dispositif selon l'invention est d'intégrer un milieu émetteur alimenté électriquement comme source d'un processus non linéaire THz dans une microcavité microcylindre. La géométrie qui utilise les modes de galerie décrite dans le cadre de cette invention permet cette intégration. Selon l'invention, le milieu émetteur est dans le microcylindre et c'est cette intégration qui aboutit à une source THz compacte et potentiellement de faible coût. Les figures 2 a à 2 f illustrent les différentes étapes du procédé de ré- alisation du dispositif 1 selon l'invention. La première étape représentée en figure 2 a est constituée par une étape de croissance épitaxiale pour l'obtention des différentes couches de l'hétérostructure semiconductrice. L'hétérostructure semiconductrice est élaborée par une technique de croissance conventionnelle, telle que l'épitaxie par jets moléculaires (EJM) ou l'épitaxie en phase vapeur à partir de composés organométalliques (EPVOM). Sur un substrat 100 en GaAs (orienté ), on dépose une couche tampon non représentée en GaAs, typiquement sur une épaisseur de 0,5 pm (servant à obtenir une surface présentant une meilleure qualité que la surface du substrat 100), une cou- che sacrificielle 101 d'AIAs (0,5 �m), puis les différentes couches semi-conductrices telles que représentées en figure 1 b entre les deux miroirs métalliques, en suivant la séquence : GaAs-p (non représenté) /Al Ga1_XAs-p (référence 102) /GaAs-nid (référence 103) / Al Ga1_XAs-n (référence 104) /GaAs-n (non représenté). La croissance de la couche 103 de GaAs non intentionnellement dopée est interrompue à une ou plusieurs reprises pour y insérer les émetteurs proches-infrarouges (puits quantiques ou plans de boîtes quantiques). La fine couche de GaAs dopée n protège de l'oxydation la couche 104 d'Al Ga1_XAs dopée n. En référence à la figure 2 b, la structure épitaxiée obtenue selon la première étape est ensuite retournée, reportée par collage sur un substrat hôte 105 préalablement métallisé par une couche de métallisation 4 (cette métallisation formant le miroir inférieur). Le substrat hôte 105 est un substrat bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, par exemple un substrat métallique ou un substrat de GaAs dopé. Le substrat 100 de GaAs initial est ensuite aminci par abrasion mécanique, jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 50 �m. Le substrat restant est alors éliminé par une attaque chimique sélective, en utilisant la couche 102 sacrificielle d'AIAs comme couche d'arrêt. On notera que la couche tampon de GaAs est éliminée en même temps que le substrat 100. Finalement, la couche 102 sacrificielle d'AIAs est enlevée par une nouvelle attaque chimique sélective qui dégage la surface de la couche non représentée de GaAs-p en vue des étapes technologiques ultérieures. Cette fine couche de GaAs-p protège de l'oxydation la couche 102 d'Al Ga1_XAs dopé p sous-jacente. La figure 2 c illustre l'étape de suppression de la conductivité de la partie centrale 14 (correspondant à la partie centrale semi-isolante de l'hétérostructure cylindrique). Pour ce faire, on réalise un premier niveau de lithographie qui définit dans un masque de résine une ouverture de diamètre légèrement inférieur à celui du cylindre final de l'hétérostructure cylindrique (typiquement 1 à 2 lm en moins). On réalise alors une étape d'implantation ionique qui rend la zone non protégée semi-isolante. Si besoin, on pourra éventuellement utiliser un masque dur plus robuste vis-à-vis de l'implantation ionique. À la fin de cette étape, la résine et l'éventuel masque dur sont éliminés. La figure 2 d illustre l'étape de dépôt du miroir supérieur et de définition de la géométrie cylindrique de l'hétérostructure. On réalise pour cela un deuxième niveau de lithographie, aligné par rapport au premier, permettant de définir par un procédé de type � lift-off � le miroir métallique circulaire supérieur 3 de diamètre égal au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique. Le miroir métallique supérieur 3 est ensuite utilisé directement comme masque de gravure. Ce masque de gravure 3 peut éventuellement être renforcé par le dépôt d'une couche métallique supplémentaire, par exemple du chrome. La géométrie cylindrique est ensuite définie par gravure ionique réactive RIE en utilisant un mélange de gaz chlorés. On retrouve sur la figure 2 d l'hétérostructure semiconductrice 2 à géométrie cylindrique comportant de bas en haut : - le miroir inférieur 4 ; - la fine couche de GaAs dopée n non représentée; - la couche 6 d'alliage AIXGa1_XAs dopée n; - la couche active 7 ; - la couche 8 d'alliage AIXGa1_XAs dopée p; - la fine couche 9 de GaAs dopée n non représentée; - le miroir supérieur 3 ; - la zone centrale 14 semi-isolante. La figure 2 e illustre l'étape de prise de contact sur le miroir supérieur 3 formant électrode supérieure ; cette étape est réalisée directement par microsoudure 12 d'un fil sur le miroir supérieur 3. Il en va de même de la prise de contact sur le miroir inférieur 4 via une microsoudure 112. On notera que la microsoudure peut également être réalisée en face arrière (directement sur le substrat hôte métallique ou semiconducteur dopé) comme représenté en figure 1 c. L'étape de prise de contact peut également être réalisée conformé-ment à la figure 2 f qui suppose une étape supplémentaire de planarisation 113 et de dépôt de plots de contact déportés (étape de lithographie supplé- 15 mentaire). Le procédé de fabrication décrit ci-dessus est adapté à la réalisation en parallèle de plusieurs dispositifs selon l'invention, autorisant la réalisation de matrices d'émetteurs THz, pour des applications de génération THz de haute puissance, ou des sources à sélection de fréquences, dites sources 20 agiles en fréquence. Un exemple de source 200 agile en fréquence est représenté en figure 3. Cette source 200 comporte une pluralité de dispositif THz selon l'invention ; ici six dispositifs 201 à 206 émettent à des fréquences THz différentes (respectivement f1 à f6) au sein de ce réseau d'émetteurs. Les émet- 25 teurs 201 à 206 de fréquences différentes sont adressables individuellement (respectivement via des moyens de commande 301 à 306) et permettent donc la réalisation de la source agile en fréquence. On notera qu'il est également possible d'utiliser plusieurs dispositifs émetteurs THz selon l'invention au sein d'un réseau d'émetteurs en phase : 30 L'intérêt de réaliser des réseaux d'émetteurs est double. Tout d'abord il peut être utile de disposer d'une matrice d'émetteurs identiques pour augmenter la puissance THz émise. La mise en phase des différents émetteurs peut favoriser cette augmentation. Cette mise en phase des différents émetteurs peut être obtenue de deux façons différentes : 1) en rapprochant les différents dispositifs émetteurs THz selon l'invention à une fraction de longueur d'onde (quelques microns) les uns des autres de manière à coupler les champs évanescents THz des différents dispositifs. 2) en utilisant un dispositif optique qui réinjecte une partie de la radiation THz émise par la matrice de dispositifs émetteurs dans la matrice elle-même. 1 o Bien entendu, le dispositif et le procédé selon l'invention ne sont pas limités aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre indicatif et nullement limitatif en référence aux figures 1 à 3. Notamment, l'hétérostructure semiconductrice à géométrie cylindrique pourrait par exemple être réalisée dans une autre famille de matériaux se- 15 miconducteurs III-V ou Il-VI. Un système particulièrement intéressant est le système InGaAsP/InP, très employé pour réaliser des microlasers fonctionnant à température ambiante, du fait de la relativement faible efficacité des mécanismes de recombinaison non radiative en surface dans ce système. On pourrait par exemple employer une structure à guide d'onde du type 20 InP :n/ InGaAsP/ InP :p, et des puits quantiques en InGaAs ou des boîtes quantiques en InAs comme milieu émetteur. L'hétérostructure semiconductrice pourra également être modifiée de façon à optimiser le confinement optique du mode guidé proche infrarouge, ou à faciliter l'injection électrique dans la structure. Les solutions technologi- 25 ques développées pour les diodes lasers conventionnelles, telles que les couches de confinement à composition graduelle (structures GRINSCH) pourront naturellement être mises en oeuvre ici. Par ailleurs, dans le mode de réalisation décrit précédemment, le guide d'onde est monomode TE et les deux modes proche-infrarouge impli- 30 qués dans la génération paramétrique sont du type TE1,1,m (comme mentionné plus haut, les deux premiers indices désignent l'ordre du mode suivant la direction verticale du cylindre et suivant son rayon, et m désigne l'ordre azimutal du mode). Cependant, le cylindre possède d'autres modes de galerie, d'indice radial supérieur qui peuvent être également exploités. De plus, en augmentant l'épaisseur de la couche centrale de GaAs ou la composition en aluminium des couches de confinement en AIGaAs, on peut augmenter le nombre de modes guidés. Pour un guide ayant k modes gui- dés TE, le cylindre possédera k familles de modes de galerie du type {TEh,n,m} (avec n et m fixés, et h nombre entier compris entre 1 et k). L'existence de ces familles de modes de galerie supplémentaires ouvre le choix des combinaisons possibles pour réaliser l'accord de phase pour la génération THz par différence de fréquence. 1 o Comme nous l'avons déjà expliqué en référence à la figure 1, il est aussi possible d'utiliser un seul miroir métallique pour confiner le mode THz On peut alors remplacer l'autre couche métallique par une couche semi-conductrice dopée, qui a également des propriétés de guidage des ondes THz. L'intérêt de cette déclinaison est qu'elle permet d'éviter l'étape de 15 technologique de report de la structure sur un autre substrat. Une couche semiconductrice dopée est alors insérée lors de la croissance (figure 2 a), et remplace finalement la couche métallique du dessous de la structure. L'étape correspondant à la figure 2 b de report sur un autre substrat est supprimée, on conserve le substrat de la croissance. Le reste du procédé de 20 réalisation est identique. On notera également que le dispositif selon l'invention décrit jusqu'à présent permet un pompage électrique du milieu actif. Ce pompage peut être réalisé par voie optique, avec un laser. Dans ce cas, les couches dopées n et p servant à la structure semiconductrice pour l'injection électrique 25 des porteurs ainsi que l'étape d'implantation ionique ne sont pas nécessaires. En revanche, la déclinaison décrite ci-dessus de substitution de la couche métallique du dessous par une couche de semiconducteur dopé est particulièrement intéressante dans ce cas-là, avec une couche semiconductrice dopée transparente au pompage optique. L'intégration, par exemple par col- 30 Tage, de ce dispositif selon l'invention à l'extrémité d'une fibre optique transportant le faisceau de pompe permettrait d'obtenir une source THz compacte, pompée optiquement. Une telle source en bout de fibre optique pour- rait par exemple être utilisée pour réaliser un endoscope THz pour l'analyse médicale. Le dispositif selon l'invention fonctionne à température ambiante. Toutefois, il est aussi envisageable d'intégrer ce dispositif dans un système cryogénique (dans un cryostat ou sur une embase de type refroidisseur à effet Peltier). La température peut être employée comme paramètre de contrôle additionnel, afin de réaliser et d'ajuster finement la condition d'accord de phase. Par ailleurs, le fonctionnement à basse température permet de diminuer la largeur homogène des boîtes quantiques et favoriser un comportement multimode du laser. Ceci peut permettre d'utiliser des microcavités plus grandes, et donc des modes de galerie plus proches en fréquence. En rapprochant ainsi les fréquences laser, on peut donc atteindre des fréquences THz plus faibles. Le fonctionnement à basse température peut aussi permettre d'améliorer les performances du dispositif laser (abais- sement du courant de seuil, augmentation du rendement de conversion électrique-optique). Nous avons vu que le milieu émetteur pouvait contenir un ou des plans de boîtes quantiques ou un ou plusieurs puits quantiques. Il est également possible d'utiliser un milieu à gain à cascade quantique. Il est connu de l'homme du métier que les lasers à cascade quantique présentent également des potentialités d'émission multimode ; à titre d'exemple un laser à cascade quantique émettant simultanément à deux longueurs d'ondes différentes dans le moyen infrarouge sans compétition de mode a été démontré dans le document "Evidence of cascaded emission in a dual-wavelength quantum cascade laser" (K. J. Franz et al.,Appl. Phys. Lett. 90, 091104 (2007)). On peut donc remplacer dans l'invention les boîtes quantiques ou les puits quantiques par des structures à cascade quantique. Les polarisations des deux ondes laser à cascade quantique sont TM. Pour optimiser le coefficient non linéaire, l'emploi d'une hétérostructure semiconductrice ayant une orientation cristalline différente (croissance sur une face (111) d'un substrat de GaAs par exemple) peut alors être avantageux. Enfin, on distingue traditionnellement deux régimes pour une génération paramétrique de lumière en cavité, ici par différence de fréquence, selon que le nombre moyen de photons dans le mode est ûou non- supérieur à 1. Dans le premier cas, le système est dans le régime d'oscillation paramétrique, qui est favorable pour générer de fortes puissances THz. Ces deux régimes de fonctionnement, qui peuvent a priori être obtenus pour une même structure selon qu'elle est pompée � faiblement � ou � fortement �, sont considérés tous deux comme conformes à l'invention.10 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) laser d'émission d'onde dans une gamme de fréquence comprise entre 0,5 THz et 5 THz comportant une hétérostructure se- miconductrice (2), ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite hétérostructure (2) est de forme cylindrique à section circulaire, ladite hétérostructure comportant : - une première couche (7) en matériau semiconducteur optiquement non linéaire incluant des moyens émetteurs (10, 11) aptes à émettre 1 o dans au moins deux modes de galerie optiques appartenant au proche infrarouge, lesdits au moins deux modes de galerie étant confinés dans ladite première couche (7) et permettant la génération au sein de ladite première couche (7) d'un rayonnement dans un mode de galerie électromagnétique de fréquence comprise entre 0,5 THz et 15 5 THz, dit mode Térahertz, ledit rayonnement étant obtenu par différence des fréquences desdits deux modes de galerie, la géométrie cylindrique de ladite hétérostructure assurant l'accord de phase entre les deux modes de galerie optiques appartenant au proche infrarouge et le mode Térahertz à la fréquence différence; 20 - une deuxième (8) et une troisième (6) couche en matériau semi-conducteur présentant chacune un indice optique plus faible que l'indice du matériau utilisé pour ladite première couche (7) et situées de part et d'autre de ladite première couche (7); - au moins une couche métallique (3, 4) située à une extrémité de la- 25 dite hétérostructure (2). 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite hétérostructure (2) de forme cylindrique comporte une zone centrale semi-isolante (14) s'étendant sensiblement entre les deux 30 extrémités de ladite hétérostructure (2). 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit dispositif (1) comporte deux couches métalliques (3, 4) situées chacune à une extrémité de ladite hétérostructure (2). 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite ou lesdites couches métalliques (3, 4) sont réalisées en or. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé 1 o en ce que lesdits moyens émetteurs sont réalisés selon l'une des formes suivantes : - un ou une pluralité de puits quantiques ; - un ou une pluralité de plans (10) de boites quantiques (11); - une ou une pluralité de structures à cascade quantique. 15 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit matériau semiconducteur optiquement non linéaire de ladite première couche (7) est un matériau III-V tel que le GaAs ou InGaAsP ou un matériau Il-VI. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau semiconducteur desdites deuxième et troisième couche (8, 6) est du Al Ga1_XAs avec 0,2 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite deuxième couche (8) semiconductrice est une couche dopée p et ladite troisième couche (6) semiconductrice est une couche dopée n. 30 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première couche (7) inclut une pluralité de plans (10) d'émetteurs. 20 10. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite hétérostructure (2) de forme cylindrique comporte deux couches semi-conductrices (9, 5), dites couches de protection contre l'oxydation, recouvrant respectivement lesdites deuxième (8) et troisième couches (6). 11. Dispositif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que chacune desdites couches de protection (9, 5) contre l'oxydation a une épaisseur comprise entre 2 et 10 nm. 12. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur desdites deuxième (8) et troisième (6) couche est comprise entre 0,5 et 5 �m. 15 13. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce qu'il comporte deux contacts électriques (12, 13) pour l'injection d'un courant de pompage desdits moyens émetteurs (10, 11). 14. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé 20 en ce que l'épaisseur de ladite première couche (7) est comprise entre 200 et 400 nm. 15. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le diamètre de ladite hétérostructure cylindrique (2) est 25 compris entre 30 et 100 �m. 16. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première couche (7) est une couche non intentionnellement dopée. 17. Système cryogénique intégrant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 16. 30 18. Réseau comportant une pluralité de dispositifs selon l'une des revendications 1 à 16 caractérisé en ce que chacun desdits dispositifs pré-sente sensiblement la même fréquence. 19. Réseau selon la revendication 18 caractérisé en ce que lesdits dispositifs sont suffisamment proches les uns des autres pour coupler les champs évanescents THz des différents dispositifs. 20. Réseau selon la revendication 18 caractérisé en ce qu'une partie du 1 o rayonnement THz émis par ledit réseau est réinjectée dans ledit ré-seau. 21. Réseau (200) comportant une pluralité de dispositifs (201, 202, 203, 204, 205, 206) selon l'une des revendications 1 à 16 caractérisé en 15 ce que chacun desdits dispositifs (201, 202, 203, 204, 205, 206) pré-sente des fréquences THz différentes, chacun desdits dispositifs étant commandés individuellement. 22. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une des revendications 20 précédentes caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Croissance épitaxiale par dépôt sur un substrat semiconducteur d'une structure comportant au moins les couches suivantes dans cet ordre à partir du substrat : � une couche semiconductrice sacrificielle ; 25 � une première couche semiconductrice de protection ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite deuxième couche ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite première couche, ladite 30 couche comportant des moyens émetteurs ; � une couche réalisée dans un matériau semiconduc- teur identique à celui de ladite troisième couche ; � une deuxième couche semiconductrice de protection ;- Report sur un substrat hôte préalablement métallisé de ladite structure épitaxiée de sorte que la deuxième couche de protection est en contact avec le métal dudit substrat hôte; - Amincissement dudit substrat semiconducteur par abrasion mécanique ; - Attaque chimique sélective dudit substrat sur l'épaisseur restante, ladite couche sacrificielle étant utilisée comme couche d'arrêt; - Attaque chimique sélective de ladite couche sacrificielle, ladite première couche de protection étant utilisée comme couche d'arrêt ; - Réalisation d'un masque définissant une ouverture de diamètre inférieure au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique ; - Implantation ionique rendant semi-isolante la zone non protégée par ledit masque ; - Elimination dudit masque ; - Dépôt d'une couche métallique circulaire de diamètre égal au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique; - Gravure des parties non recouvertes par ladite couche métallique circulaire de façon à former l'hétérostructure de forme cylindrique. 23. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit 25 masque définit une ouverture de diamètre inférieur de 1 à 2 �m au diamètre de l'hétérostructure de forme cylindrique. 10 15 20