Brevet FR2936602A1 — publié le 20100402

Détecteur Térahertz à puits quantiques Le domaine de l'invention est celui de la détection TéraHertz ou de l'imagerie TéraHertz, c'est-à-dire une détection dans un domaine spectral concernant traditionnellement les fréquences allant de quelques centaines de GHz à 10THz, soit des longueurs d'onde allant de :30 microns à quelques centaines de microns. Ces domaines spectraux sont particulièrement intéressants pour réaliser des analyses de tout type : analyse sans contact en médecine, analyse de matériaux variés, détection de substance ou d'objets dans des dispositifs de surveillance et notamment dans les aéroports,... Actuellement cependant, la réponse des détecteurs TéraHertz reste faible. Ceci oblige d'utiliser des sources relativement puissantes pour faire de l'imagerie TéraHertz. C'est pourquoi on s'oriente vers la réalisation de détecteurs avec des réponses plus élevées permettant d'utiliser des sources moins puissantes et donc beaucoup moins chères, rendant le coût total d'un système TéraHertz beaucoup moins prohibitif. Il a déjà été proposé des détecteurs cohérents Térahertz fonctionnant à partir de sources fentosecondes, mais ces dispositifs 20 présentent l'inconvénient majeur d'être très encombrants. D'autres solutions ont été proposées utilisant des détecteurs bolométriques qui peuvent présenter des sensibilités élevées, mais ils sont spécifiquement lents, ce qui ralentit énormément un processus d'imagerie, en diminue la résolution ou oblige à utiliser une source très puissante. 25 Les détecteurs pyroélectriques ont des réponses très faibles, ce qui oblige également à l'utilisation d'une source puissante dans un système d'imagerie THz. Enfin, les technologies issues des micro-ondes sont limitées en fréquence comme décrits dans les articles Martin Koch, � Terahertz technology : a land to be discovered � Optics and Photonics News, March 30 2007, p 21, Masayoshi Tonouchi, � Cutting-edge teraherz technology �, Nature Photonics Fevrier 2007, p 97. Dans ce contexte, la présente invention propose un nouveau type de détecteur Térahertz dans lequel une très forte sensibilité peut être obtenue grâce à des moyens de commande optimisés. 35 L'invention consiste à utiliser un détecteur à puits quantiques en régime d'ionisation par impact c'est-à-dire à un point de fonctionnement très particulier qui fait que l'arrivée des photons à des fréquences TéraHertz est en mesure de déclencher un courant électrique très important. Il s'agit d'un détecteur à puits quantique dont la hauteur des barrières est conçue de manière à ce que la transition intersousbande soit ajustée sur la longueur d'onde THz à détecter. L'invention consiste à polariser le détecteur au voisinage d'une transition de phase en courant qui a été observée expérimentalement par la demanderesse. Sous éclairement THz, le détecteur entre en régime de fort courant à cause de ce rayonnement, ce qui en fait un détecteur de rayonnement Thz extrêmement sensible. Le détecteur proposé a donc une réponse très élevée, et est potentiellement très rapide. Plus précisément la présente invention a pour objet un procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz comportant la commande en tension d'une structure unipolaire à puits quantiques présentant des contacts ohmiques perrnettant de faire transiter un courant électrique de détection, ladite structure comprenant une série de puits quantiques, un premier puits quantique étant séparé d'un contact ohmique par une première barrière, chaque puits quantique comprenant au moins un premier niveau supérieur d'énergie et un second niveau inférieur d'énergie, lesdits premier niveau et second niveau d'énergie étant tels que l'absorption de photons à une fréquence de l'ordre du Térahertz permet de faire transiter des électrons du second niveau inférieur d'énergie au premier niveau supérieur d'énergie caractérisé en ce que la tension de commande est sélectionnée très proche d'une tension seuil Vs telle qu'elle permet une transition de phase entre une première phase et une seconde phase, la première phase étant caractérisée par un premier courant, la seconde phase étant caractérisée par un second courant, le second courant étant au moins mille fois plus grand que le premier courant, ladite transition de phase étant déclenchée lors de la détection de photons à des fréquences Térahertz. Selon une variante de l'invention, les premier et second niveaux d'énergie sont situés dans la bande de conduction des puits quantiques. Selon une variante de l'invention, les premier et second niveaux d'énergie sont situés dans la bande de valence des puits quantiques. Selon une variante de l'invention, le dispositif est surmonté d'une structure optique diffractive permettant d'augmenter l'absorption de la lumière dans le domaine THz par les puits quantiques. Selon une variante de l'invention, la première barrière subit une chute de potentiel à cause du champ électrique faible, inférieure à l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz dans la première phase et une chute de potentiel due à un champ électrique beaucoup plus important dans la seconde phase que l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz, les deux phases étant deux états du détecteur observables pour une même tension appliquée sur le détecteur. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte en outre une étape de remise à niveau après une étape de détection de photons à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz. Selon une variante de l'invention, l'étape de remise à niveau comporte l'abaissement de la tension de commande en deçà d'une deuxième tension seuil Vb inférieure à la première tension de seuil Vs. Selon une variante de l'invention, la structure unipolaire comporte un empilement de couches semiconductrices avec une alternance de couches de GaAs formant les puits et de couches barrière à base de All_xGaxAs. Selon une variante de l'invention, les couches de AIo.o3Ga097As présentent des épaisseurs de l'ordre 70 nanomètres et les puits quantiques des épaisseurs de l'ordre de 15 nanomètres de GaAs. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre des mesures courant-tension réalisées dans le procédé de l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent respectivement des structures de bandes du détecteur en régime de faible courant (régime tunnel) et de fort courant (régime d'ionisation par impact); la figure 3 illustre le comportement en tension et courant du détecteur et un cycle de remise à niveau dans un procédé de 35 détection selon l'invention. Selon l'invention, le procédé de détection comporte la commande en tension d'un détecteur à puits quantiques dont la hauteur des barrières est conçue de manière à ce que la transition intersousbande soit ajustée sur la longueur d'onde THz à détecter. Le détecteur fonctionne à une température suffisamment basse pour que le courant noir, pour des tensions raisonnables, soit un courant produit par un effet tunnel d'un puits à l'autre. Exemple de réalisation d'un détecteur TéraHertz selon l'invention : Le détecteur comporte un empilement de couches semiconductrices avec une alternance de couches de GaAs et de Alo.03Ga0.97As de manière à réaliser des barrières AIo.03Ga0.97As de 70 nanomètres d'épaisseur séparant des puits quantiques de 15.5 nanomètres de GaAs. II y a ainsi 30 puits quantiques dopés n à 6.10.10cm-2. Les courants sont dus à un effet tunnel entre puits jusqu'à des tensions de l'ordre de 0.25 V. Des démonstrations expérimentales ont été menées à des 20 températures inférieures à 20K. La structure décrite est un détecteur à puits quantiques (QWIP) répondant à une longueur d'onde comprise entre 50 et 60 microns, il est facile de réaliser un QWIP similaire à des longueurs d'ondes plus courtes ou plus longues en modifiant les épaisseurs des puits ou le pourcentage 25 d'Aluminium dans les barrières ou en utilisant des matériaux constituants puits et barrières comme décrit dans la littérature sur les QWIPs et notamment dans le livre de H.C. Liu and H. Schneider, �Quantum Wells Infrared Photodetectors �, Springer, 2006. Dans le présent exemple expérimental, au-delà d'une tension de 30 0.25 V correspondant à la tension Vs, on peut observer comme illustré en figure la, une transition de phase en courant : le courant gagne cinq ordres de grandeur à partir d'une tension seuil. Le phénomène présente un comportement d'hystérésis. Cette transition de phase est due à un effondrement de la première 35 barrière de potentiel du détecteur qui fait que les électrons pénètrent massivement dans la structure au-dessus de ce seuil. Cet effondrement de barrière est dû au dépeuplement du premier puits quantique, qui se vide de ses électrons par ionisation par impact Le cycle indiqué en traits pleins de la figure 1 est relatif au courant mesuré expérimentalement, le cycle indiqué en traits pointillés est relatif au courant simulé par calcul. L'invention consiste ainsi à polariser le détecteur au voisinage de la transition de phase, c'est à dire à une tension V1 juste inférieure à vs, en fonctionnement de courant tunnel. Sous éclairement THz, le détecteur peut alors entrer en régime de fort courant à cause de ce rayonnement, ce qui en fait un détecteur de rayonnement Thz extrêmement sensible. Nous allons expliquer dans ce qui suit pourquoi le rayonnement TéraHertz peut faire transiter le détecteur d'un régime de faible courant à un régime de fort courant, induisant ainsi un photocourant plusieurs ordres de grandeur supérieur au courant noir. En effet, l'incidence de photons THz sur la structure va induire des transitions intersousbandes, et vider des puits de leurs électrons. Les figures 2a et 2b illustrent à ce titre une structure à puits quantiques comportant un niveau inférieur ni et un niveau supérieur nf entre lesquels peuvent transiter des électrons sous l'absorption de photons à des fréquences TéraHertz. Plus précisément, ces figures illustrent les structures de bandes du détecteur en régime de faible courant, correspondant à un régime �tunnel � et un régime de fort courant dans lequel la première barrière située près d'un contact CI s'est écroulée. Cette première barrière subit un champ électrique faible inférieur à l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz dans la première phase (faible courant) et un champ électrique beaucoup plus important dans la seconde phase à l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz. Suivant un effet connu dans le domaine des détecteurs à puits quantiques et notamment décrit dans la thèse de E.Costard de l'Université de Paris XI soutenue le 07 Février 2001, la distribution de champ électrique sur la structure est affectée lors de l'absorption de photons. II résulte un champ électrique élevé en amont des puits, qui réchauffe les porteurs, et favorise les ionisations par impact, vidant encore davantage les puits. On entre dans un processus catastrophique qui finit par vider complètement le premier puits. Sous l'action d'une détection de photons Thz incidents, les puits proches de la surface sont vidés de leurs porteurs générant un champ électrique élevé en amont des premiers puits, une ionization par impact, des puits encore vidés davantage, etc. Les chutes de potentiel sur la première barrière AEi et LEf sont ainsi considérablement différentes entre la première phase et la deuxième phase, les deux phases étant deux états dans lesquels peut se trouver le détecteur pour une même tension appliquée. Ce mécanisme correspond à la transition de phase décrite dans l'article de A. Gomez, V.Berger, L.A. De Vaulchier, N. Péré Laperne, Applied Physics Letters 92, 2021110 (2008) : � Barrier brekdown in multiple quantum well structure �, mais cette fois étant initiée par l'incidence de photons THz. Selon l'invention, on est ainsi en mesure de proposer un procédé de détection utilisant un détecteur THz dans lequel le photocourant est entre 3 et 6 ordres de grandeur plus élevé que le courant noir. Si on applique une tension suffisamment proche de la transition de phase, soit une tension de 0.245 V dans le présent exemple, on peut réaliser par cette méthode un compteur de photons THz, un photon incident suffisant à déclencher la transition de l'état faible courant vers l'état fort courant. Etant donné que l'invention concerne un procédé de détection utilisant un détecteur qui présente un très fort photocourant déclenché par un rayonnement de faible puissance, grâce à un processus d'ionization par impact, ce procédé rappelle celui d'une détection utilisant des photodiodes à avalanche. Cependant, le détecteur impliqué dans le procédé de l'invention est différent d'un détecteur à avalanche en ce que : - il s'agit d'un détecteur unipolaire ; - il n'y a pas d'avalanche mais un processus d'ionization par impact 30 qui écroule une barrière. Le gain n'est donc pas obtenu en multipliant les porteurs dans la structure détectrice, mais en libérant le courant injecté par le contact. Le procédé de l'invention peut aussi bien être appliqué à un 35 détecteur utilisant des transitions intersousbandes dans la bande de valence avec des puits quantiques de type p. Cela reste un procédé de détection utilisant un détecteur unipolaire. Nous allons décrire ci-après et de manière illustrée par la figure 3, l'adressage en tension d'un détecteur THz, selon l'invention et sa remise à niveau. Pour ce faire, on peut avantageusement utiliser un détecteur contrôlé par une électronique spécifique qui le ramène à l'état de faible courant dès qu'un rayonnement Thz est détecté. Ce type d'électronique est connu de l'homme de l'art pour le contrôle des photodiodes à avalanche en régime de comptage de photons. La figure 3 montre une courbe en traits pleins relative à la tension appliquée lors du procédé de détection, alors qu'une courbe en traits pointillés est relative au courant qui circule dans la structure de puits quantiques utilisée. Comme illustré précédemment, en appliquant à la structure de puits quantiques, une tension V1 située juste en deçà de la tension seuil Vs, la détection de quelques photons THz conduit la tension V1 à basculer au delà de ladite tension seuil, conduisant par la même un faible courant à devenir très important, d'où l'accroissement très élevé de la densité de courant. Après détection de photons THz, indiqué par un premier événement de détection El, le courant est fortement augmenté permettant la lecture dudit événement. On peut alors dans un second temps procéder à une remise à niveau en abaissant la tension à une valeur VO inférieure à la tension de commande V1, ceci conduit à une forte diminution du courant permettant au détecteur de se retrouver dans son état initial, prêt à un nouvel événement de détection E2. La valeur VO doit être inférieure à la tension de seuil Vb de retour au niveau bas du courant. Ainsi lors d'un second événement de détection E2, la tension de commande est à nouveau portée à une tension V1 juste inférieure à la tension seuil de manière à pouvoir à nouveau faire passer le courant d'une première phase à une seconde phase lors de la détection d'une faible quantité de photons THz. REVENDICATIONS1. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz comportant la commande en tension d'une structure unipolaire à puits quantiques présentant des contacts ohmiques permettant de faire transiter un courant électrique de détection, ladite structure comprenant une série de puits quantique, un premier puits quantique étant séparé d'un contact ohmique (Cl) par une première barrière, chaque puits quantique comprenant au moins un premier niveau supérieur d'énergie (nf) et un second niveau inférieur d'énergie (ni), lesdits premier niveau et second niveau d'énergie étant tels que l'absorption de photons à une fréquence de l'ordre du Térahertz permet de faire transiter des électrons du second niveau inférieur d'énergie au premier niveau supérieur d'énergie caractérisé en ce que la tension de commande (V1) est sélectionnée très proche d'une tension seuil (Vs) telle qu'elle permet une transition de phase entre une première phase et une seconde phase, la première phase étant caractérisée par un premier courant, la seconde phase étant caractérisée par un second courant, le second courant étant au moins mille fois plus grand que le premier courant, ladite transition de phase étant déclenchée lors de la détection de photons à des fréquences Térahertz. 2. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second niveaux d'énergie sont situés dans la bande de conduction des puits quantiques. 3. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second niveaux d'énergie sont situés dans la bande de valence des puits quantiques. 4. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé ence que la structure unipolaire à puits quantiques comporte en outre une structure diffractive supérieure pour améliorer l'absorption . 5. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première barrière subit une chute de potentiel faible inférieure à l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz dans la première phase et une chute de potentiel beaucoup plus importante dans la seconde phase que l'énergie d'un photon à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz, la tension appliquée sur le dispositif pouvant être la même dans les deux phases. 6. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de remise à niveau après une étape de détection de photons à une fréquence de l'ordre d'un Térahertz. 7. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de remise à niveau comporte l'abaissement de la tension de commande en deçà d'une tension seuil (Vb). 8. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure unipolaire comporte un empilement de couches semiconductrices avec une alternance de couches de GaAs formant les puits et de couches barrière à base de All_XGa,As. 9. Procédé de détection à des fréquences appartenant au domaine des TéraHertz selon la revendication 8, caractérisé en ce que les couches de AI0.03Gao,97As présentent des épaisseurs de l'ordre 70 nanomètres et les puits quantiques des épaisseurs de l'ordre de 15 nanomètres de GaAs.35