Brevet FR2980642A1 — publié le 20130329

DISPOSITIF A SUPER-RESEAU SEMICONDUCTEUR FONCTIONNANT DANS LE DOMAINE DE FREQUENCES TERAHERTZ DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les structures physiques fonctionnant sur les principes de la physique quantique, et plus précisément un dispositif à super-réseau semiconducteur pour la génération et le traitement de très hautes fréquences dans le domaine dit domaine térahertz. Ce domaine recouvre des fréquences pouvant aller d'environ 300 GHz à 10 THz, c'est-à-dire des longueurs d'onde allant typiquement de 30 micromètres au millimètre. Le domaine térahertz est un domaine intermédiaire entre le domaine de l'électronique et le domaine de l'optique en ce sens que les signaux sont à trop haute fréquence pour être traités par des moyens électroniques classiques et à trop basse fréquence pour être traités par des moyens optiques. Pourtant un besoin existe pour un traitement de signaux à ces fréquences, notamment pour des analyses spectroscopiques de matériaux qui présentent des pics d'absorption à de telles fréquences. Des substances présentes dans l'espace ou des substances biologiques et chimiques peuvent être analysées en utilisant ces propriétés d'absorption et de nombreuses applications sont envisageables dans le domaine de la mesure scientifique terrestre, atmosphérique et spatiale, ainsi que dans le domaine de l'inspection industrielle de matériaux, la détection de substances illicites, le diagnostic médical, etc. Pour faire un traitement de signaux à ces fréquences, on a en particulier besoin de produire ces signaux, et on a donc besoin de sources de signaux à de telles fréquences ; on s'intéressera plus spécialement dans ce qui suit à la réalisation de sources de fréquences qu'on appellera pour simplifier "sources térahertz", mais l'invention s'applique aussi au traitement de signaux à ces fréquences. CONTEXTE DE L'INVENTION Les pistes envisagées dans le passé pour produire des sources de signaux à de telles fréquences comprennent, si on se limite aux sources à semiconducteurs qui sont particulièrement propices à la miniaturisation : - la génération directe d'oscillations optiques par pompage de matériaux à très faible bande interdite ; mais les meilleurs matériaux trouvés ne permettent pas de descendre au-dessous de 15 térahertz ; - le mélange de faisceaux optiques cohérents monochromatiques dans un photoconducteur ou un photodétecteur en matériau non-linéaire ; - la génération d'harmoniques de signaux électroniques à fréquences millimétriques dans des systèmes non linéaires pour produire des fréquences submillimétriques ; - la production de résonances dans des circuits à diodes à effet tunnel résonant. Ces pistes sont limitées, pour certaines, par la faible puissance émise, pour d'autres par la complexité, l'encombrement ou le coût, ou encore par la nécessité d'un refroidissement à des températures cryogéniques, ou encore par l'obligation de fonctionner en régime impulsionnel transitoire et non en continu. On a proposé également des structures de lasers à cascade quantique qui reposent sur l'émission stimulée d'électrons entre des bandes d'énergie quantifiées dans des puits quantiques bi-dimensionnels d'une couche active sous champ où circule un courant d'électrons continu. Le mécanisme de la stimulation est optique et le fonctionnement est également à très basse température, un peu moins basse si le fonctionnement est exclusivement pulsé. Ces structures nécessitent une inversion optique de toute la couche active pour provoquer l'émission de photons, et de plus elles nécessitent l'utilisation de guides d'onde longs pour générer et extraire le signal à fréquence térahertz. RESUME DE L'INVENTION L'invention a pour but de réaliser une structure de génération ou de traitement de fréquences térahertz améliorée, qui repose sur l'utilisation de super-réseaux semiconducteurs périodiques soumis à un champ électrique statique dans une zone de fonctionnement (au-delà d'une certaine valeur de champ) où la vitesse des électrons, au lieu d'augmenter comme on s'y attendrait, diminue avec l'augmentation du champ électrique. L'injection d'électrons dans cette structure est faite de manière électronique et non selon la technique connue mais faiblement efficace d'excitation optique impulsionnelle du super-réseau semiconducteur. Dans la zone de fonctionnement où la vitesse des électrons décroît avec le champ électrique, les super-réseaux peuvent présenter une conductance différentielle négative, favorable à la création d'oscillations de densités de charge électronique à très haute fréquence allant jusqu'au domaine térahertz et déclenchées par des bistabilités d'injection d'un courant électronique dans le super-réseau. La fréquence est liée au champ électrique appliqué. On a constaté que ces oscillations pouvaient être auto-entretenues, par une injection unipolaire purement électronique et non par injection optique, c'est-à-dire qu'on n'est pas obligé de fonctionner en mode impulsionnel transitoire, à la condition d'injecter (en amont) et d'extraire (en aval) les électrons d'une manière appropriée. Le principe général est le suivant : on constitue un super-réseau semiconducteur par une alternance périodique d'au moins deux couches superposées, très minces, de deux matériaux semiconducteurs de bandes interdites différentes et de mailles adaptées, en relation épitaxiale. Les épaisseurs des deux couches sont généralement différentes et le super- réseau est périodique, c'est-à-dire que les épaisseurs sont les mêmes dans toute la série d'alternances, à la précision près des techniques de fabrication et de mesure et sans exclure d'introduire quelques ajustements d'épaisseur des couches de bord pour compenser des effets de bord altérant le bon positionnement des niveaux d'énergie électroniques indiqué ci-dessous. Typiquement, les deux matériaux sont de l'arséniure de gallium (GaAs) et de l'arséniure de gallium-aluminium (AlxGai_xAs), les porteurs de charge des électrons de la bande de conduction. L'invention ne se limite pas à ces matériaux et des porteurs de charge de la bande de conduction. D'autres matériaux sont envisageables et dans certains matériaux (par exemple SiGe), des porteurs de charge d'autres bandes que la bande de conduction. Dans ce qui suit, l'invention est décrite dans le cas de porteurs de la bande de conduction. Cette alternance de couches engendre une alternance régulière de puits de potentiel (constitués par la couche ayant le niveau d'énergie le plus faible en bas de la bande de conduction) et de barrières de potentiel (constituées par la couche ayant le niveau d'énergie le plus élevé en bas de la bande de conduction). Avec les matériaux GaAs et AlxGai_xAs où x=15% par exemple, la différence de ces niveaux est d'environ 120 meV, le niveau bas étant celui de GaAs. Dans ce qui suit, on définira la constitution d'une structure par une succession de barrières de potentiel et de puits de potentiel, étant entendu qu'il s'agit d'un langage simplificateur désignant en réalité une succession de couches physiques de matériaux ayant, dans les conditions de champ électrique auxquelles ils sont soumis, des niveaux d'énergie de bande de conduction plus bas lorsqu'il s'agit de puits (couches de GaAs par exemple) et plus hauts lorsqu'il s'agit de barrières encadrant ce puits. La théorie montre que lorsqu'on applique à un super-réseau un champ électrique statique dans le sens de l'empilement des couches, pour des valeurs convenables des épaisseurs de puits et de barrière, il se crée une répartition discontinue de niveaux d'énergie électronique propres selon un profil appelé "échelle de Wannier-Stark" avec un niveau d'énergie confiné localisé et centré sur chaque puits de potentiel. On notera que d'autres niveaux d'énergie peuvent exister mais, constituant des voies de conduction parasites, le super-réseau sera de préférence conçu pour éviter de les introduire dans l'intervalle d'énergies entre le fond et le haut du puits. Les niveaux d'énergie de Wannier-Stark localisés par le champ électrique sont distribués régulièrement de puits à puits et descendent par échelons réguliers depuis un côté qu'on appellera côté amont jusqu'à un côté qu'on appellera côté aval. Le côté amont et le côté aval sont déterminés par le sens d'application du champ électrique, les électrons circulant du côté amont vers le côté aval. La hauteur des échelons est liée au champ électrique appliqué. Elle s'exprime en énergie et est caractérisée, du fait de l'équivalence énergie-fréquence donnée par la constante de Planck, par une fréquence dite "fréquence de Bloch". Cette fréquence est approximativement la fréquence de coupure de la conductance différentielle négative du super-réseau. C'est aussi approximativement la fréquence centrale de fonctionnement du dispositif. Elle peut être très élevée. Pour une hauteur d'échelon de 10 meV par exemple, la fréquence est de l'ordre de 2,5 THz. Enfin, il faut préciser qu'on considère qu'il y a une possibilité de transfert d'électrons par effet de résonance tunnel si deux niveaux d'énergie propres dans deux puits de potentiel couplés sont sensiblement au même niveau, alors que ces puits sont séparés par une ou même plusieurs barrières de potentiel. En effet cette égalité de niveaux d'énergie engendre une forte probabilité de passage d'un électron entre deux puits par effet tunnel à travers une ou plusieurs barrières de potentiel. Selon l'invention, on prévoit en amont du super-réseau, considéré comme commençant par une première couche formant un premier puits de potentiel, un moyen d'injection d'électrons, c'est-à-dire un réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par une barrière de potentiel et présentant un niveau d'énergie propre qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark d'un ième puits du super-réseau situé au-delà du premier puits du super-réseau ; le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau de Wannier-Stark de ce ième puits. Les électrons peuvent passer du moyen d'injection vers ce puits du super-réseau sans être bloqués dans le premier puits. Le ième puits du super-réseau est de préférence le deuxième puits. L'injection d'électrons dans le super-réseau se fait alors doublement : - d'une part sur le niveau de Wannier-Stark du premier puits avec un couplage assez fort dû à la présence d'une seule barrière de potentiel étroite, entre le premier puits et le réservoir d'électrons, mais hors 25 résonance, - d'autre part sur le niveau de Wannier-Stark du deuxième puits, avec un couplage plus faible puisqu'il y a deux barrières de potentiel, mais au voisinage de la résonance donc avec une plus grande efficacité de transfert. 30 Cela permet d'injecter de manière cohérente des populations d'électrons du même ordre de grandeur dans différents puits du super-réseau. La structure de l'invention favorise ainsi l'apparition de plusieurs états statiques stables d'injection d'un courant dans le super-réseau et évite la nécessité d'une excitation optique impulsionnelle de ces puits. 35 On notera que l'injection de charges dans les puits a un effet sur le mécanisme d'injection lui-même. En effet, les variations locales de densité de charges injectées dans les puits modifient les potentiels électroniques et rétroagissent sur les niveaux quantiques d'énergie que peuvent prendre les électrons. Le caractère plus ou moins résonant de l'injection dépend donc de l'injection elle-même, ce qui favorise l'apparition de plusieurs états statiques stables de répartition de la densité de charge et du potentiel dans les puits du super-réseau, lorsque l'injection est suffisante. Ces états statiques, en réalité métastables dans leur environnement, participent à l'apparition d'oscillations dans certains domaines de fréquence dépendant de l'environnement électromagnétique du composant et celles-ci sont entretenues par l'application du champ électrique statique aux bornes de la structure. De telles oscillations résultant de transferts de charges entre les états limites que sont les états statiques métastables, elles peuvent constituer des sources de rayonnement et de signaux électromagnétiques jusqu'au voisinage de la fréquence de Bloch, et donc des sources térahertz. Le moyen d'injection sera en principe formé par un puits de potentiel suivi d'une barrière de potentiel, en amont du premier puits du super-réseau. Pour des compositions comparables des matériaux utilisés pour les puits d'injection et de super-réseau, il comportera en général au moins un niveau d'énergie propre plus proche du fonds du puits que les niveaux de Wannier-Stark formés dans les puits du super-réseau. Dans un mode de réalisation simple où les puits de la structure sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines ou identiques, ce puits d'injection est plus large que les puits du super-réseau. Pour extraire les électrons en aval du super-réseau, on prévoit un moyen d'extraction qui comprend une couche formant barrière de potentiel en aval du dernier puits du super-réseau et un puits d'extraction suivant cette barrière ; ce puits d'extraction présente un niveau d'énergie propre sensiblement à la même hauteur que le niveau de Wannier-Stark du dernier puits du super-réseau (donc plus loin du fond du puits que les niveaux de Wannier-Stark dans les puits du super-réseau si tous les puits sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions comparables). Le réservoir d'électrons est alimenté directement ou indirectement par une région d'entrée dopée de type N. Le plus simple, dans le cas d'une alimentation directe, est de prévoir une région fortement dopée de type N+, suivie d'une région moins dopée de type N, et suivie ensuite d'une barrière de potentiel et du puits d'injection formant le réservoir d'électrons. Les couches formant puits peuvent éventuellement être faiblement dopées de type N. De la même manière, le moyen d'extraction alimente directement ou indirectement une région de sortie dopée de type N qui peut être constituée, après la barrière de potentiel fermant le puits d'extraction, d'une région dopée de type N suivie d'une région fortement dopée de type N+. Ces deux régions d'entrée et de sortie de type N constituent l'entrée et la sortie par lesquelles on applique le champ électrique statique auquel doit être soumis le super-réseau pour constituer l'échelle de Wannier- Stark et entre lesquelles circule le courant. Dans une réalisation particulièrement intéressante, on utilise une répétition de plusieurs super-réseaux en cascade, et seul le premier super-réseau est alimenté directement par une région de type N. Les autres sont alimentés indirectement, c'est-à-dire chacun par le super-réseau immédiatement précédent. Dans une telle configuration de super-réseaux répétitifs séparés les uns des autres par des moyens d'injection et des moyens d'extraction, on s'arrange pour que le moyen d'injection ou réservoir d'électrons d'un super-réseau situé en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau situé immédiatement en amont. Un seul puits de potentiel sert alors de puits d'extraction et de puits d'injection. Ce puits de potentiel extracteur-injecteur est alors caractérisé par deux niveaux d'énergie propre différents, l'un étant plus haut et servant pour l'extraction, l'autre étant plus bas et servant pour l'injection. Les électrons sont en effet extraits d'un niveau de Wannier-Stark d'un dernier puits d'un super-réseau amont vers le niveau haut du puits extracteur/injecteur ; de là ils tombent au niveau bas de ce puits ; puis, ils sont injectés par effet tunnel résonant par exemple dans le deuxième puits d'un super-réseau aval. Il est préférable alors que les deux niveaux d'énergie du puits extracteur-injecteur soient séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal. De cette manière, les électrons qui passent du niveau haut au niveau bas effectuent une transition très rapide, non radiative. Pour effectuer l'ajustement de la valeur de cette différence de niveaux dans le puits extracteur/injecteur, on peut diviser ce puits en au moins deux couches séparées par une couche barrière intercalaire très étroite et ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits qui l'encadrent. L'épaisseur totale du super-réseau doit être contrôlée pour permettre l'entretien des oscillations de Bloch : l'épaisseur doit être inférieure ou égale à la vitesse moyenne des électrons dans le super-réseau (fonction du champ électrique appliqué) divisée par la fréquence de Bloch (fonction de la hauteur des échelons de l'échelle de Wannier-Stark). Cela permet que la fréquence de coupure liée à la résonance de transit (au temps de transit) des électrons dans le super-réseau ne devienne pas sensiblement inférieure à la fréquence de Bloch. Si ce n'était pas le cas le fort amortissement qui se produit au-delà de la fréquence égale à l'inverse du temps de transit des électrons dans le super-réseau défavoriserait fortement l'établissement d'un régime d'oscillations entretenues. Enfin, pour que les oscillations de densité de charge électronique qui se produisent dans le ou les super-réseaux puissent être converties en une radiation à fréquence térahertz émise dans l'espace libre, on prévoit de préférence que la structure oscillante est placée au coeur d'une antenne active de type « microstrip » (technologie microruban), appelée encore antenne patch, d'impédance adaptée autant que possible à la structure oscillante à super-réseau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une structure de base conforme à l'invention ; - la figure 2 représente un diagramme de bandes de conduction de la partie centrale de la superposition de couches de la figure 1 ; - la figure 3 représente un diagramme de bandes de conduction 35 de cette partie centrale dans le cas d'une périodisation du motif, où les moyens d'extraction servent aussi de moyens d'injection pour un super-réseau situé en aval ; - la figure 4 représente un exemple de diagramme pour une structure à répétition de super-réseaux identiques dont la composition détaillée en termes d'épaisseurs, de pourcentage d'aluminium, et de dopage N est donnée ; - la figure 5 représente une structure d'antenne active patch intégrant une structure à super-réseau(x) selon l'invention, dans une configuration d'adaptation d'impédance par tronçon de ligne ouvert au bout ; - la figure 6 représente une structure d'antenne active patch intégrant une structure à super-réseau(x) selon l'invention, dans une configuration d'adaptation d'impédance par tronçon de ligne court-circuité au bout. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre un exemple de structure de génération et/ou de traitement de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'invention. Elle comprend une alternance de couches d'un premier matériau semiconducteur, et d'un second matériau semiconducteur, où le premier matériau semiconducteur a un niveau d'énergie plus faible en bas de la bande de conduction que le second matériau semiconducteur. Dans l'exemple illustré, le premier matériau semiconducteur est GaAs, et le second, AlxGai,As. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'utilisation de ces deux matériaux semiconducteurs particuliers pour former la structure de l'invention. La structure comprend principalement un ensemble de couches minces encadré de part et d'autre par des couches épaisses, pour la prise de contact. Il faut comprendre par couche mince, une couche d'épaisseur inférieure à une dizaine de nanomètres, sans que cette valeur qui dépend des matériaux considérés constitue une limite stricte, et par couche épaisse, une couche de quelques dizaines de nanomètres. L'ensemble de couches minces forme un super réseau 30, avec au-dessus (en amont, c'est-à-dire dans une région de potentiel plus négatif), un injecteur d'électrons 40, et en dessous (en aval, c'est-à-dire dans une région de potentiel plus positif), un extracteur d'électrons 20. Plus précisément, la croissance épitaxiale de la structure représentée sur la figure 1 peut indifféremment commencer par les couches de contact aval ou par les couches de contact amont. La structure donnée en exemple comprend dans l'ordre de succession des différentes couches de semiconducteur indiqué ci-dessous de l'aval vers l'amont: -une couche 11 de GaAs, épaisse, fortement dopée N+, servant à la prise contact; -une couche 12 de GaAs, épaisse, dopée N, servant de couche de dopage de transition ; -une couche 21 de AIGaAs, mince, qui forme une première barrière de l'extracteur d'électrons 20 ; -une couche 22 de GaAs qui forme un puits de l'extracteur 20 ; -une couche 23 de AlGaAs qui forme une deuxième barrière de l'extracteur 20 ; -une alternance périodique de couches GaAs (couches 31, 33, 35, 37, 39) et de AlGaAs (couches 32, 34, 36, 38) formant le super-réseau 30, où les couches GaAs formant les puits du super-réseau ont toutes la même épaisseur a, et les couches AlGaAs formant les barrières du super-réseau ont toutes la même épaisseur b différente de l'épaisseur a des couches GaAs. -une couche 41 de AlGaAs, mince, qui forme une première barrière de l'injecteur d'électrons 40 ; -une couche 42 de GaAs qui forme un puits de l'injecteur 40 ; -une couche 43 de AlGaAs qui forme une deuxième barrière de l'injecteur 40 ; -une couche 51 de GaAs, épaisse, dopée N, servant de couche de dopage de transition ; -une couche 52 de GaAs, épaisse, fortement dopée N+, servant à la prise contact. Dans cette structure la composition des couches AlGaAs est identique. Par exemple on a x=15% , ce qui s'écrit : A10,15Ga0,85As. Dans l'exemple, seules les couches GaAs de contact et de dopage intermédiaire sont dopées. Ce dopage (typiquement du silicium) des couches GaAs peut être uniforme. Dans un exemple de réalisation, pour les couches GaAs de contact 11 et 52, qui doivent avoir un fort dopage pour être faiblement résistives, car elles servent de prise de contact, la valeur du dopage N+ peut être égale à 2.1018 cm-3 ; et pour les couches 12 et 51, la valeur du dopage N peut être de 1.1017 cm-3. Au lieu d'être massif, le dopage peut être graduel, le dopage variant progressivement sur l'épaisseur de la couche. Par exemple la couche GaAs 11 peut être graduellement dopée depuis la valeur N+ jusqu'à la valeur N. Les couches minces GaAs formant les puits de la structure, c'est à dire les couches 22, 31, 33, 35, 37, 39 et 42 dans l'exemple, peuvent éventuellement être faiblement dopées N ; en pratique ces couches formant puits ne seront dopées que sur quelques monocouches moléculaires, par exemple sur 3 couches, soit environ 1 nm, dopées à 5.1016 cm-3. Cela équivaut à un dopage du super-réseau de quelques 1015 CM-3. Dans cet exemple, le super-réseau semi-conducteur 30 comprend n=5 alternances périodiques de puits de potentiel et de barrières de potentiel, et l'injecteur et l'extracteur sont formés chacun par 3 couches formant, sur le même principe que le super-réseau, une couche centrale formant un puits de potentiel encadré par deux couches barrières. Dans l'exemple illustré qui correspond à un mode de réalisation où les puits de la structure sont tous fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines (c'est-à-dire avec des valeurs de x différentes mais proches), ou identiques, le puits de l'injecteur est plus large en épaisseur que les puits du super-réseau. L'invention ne se limite pas à une telle réalisation. Le puits de l'injecteur peut être fabriqué avec un matériau de composition différente (par exemple avec du AlGaAs avec respectivement x=0% et x=5% pour le puits de l'injecteur et les puits du super-réseau). Le puits de l'injecteur pourra alors être plus étroit que ceux du super-réseau. Lorsque l'on soumet cette structure de la figure 1 à un champ électrique statique F, dans le sens de l'empilement des couches, par un moyen de polarisation statique purement électrique via les couches de contact 11 et 52, il se crée dans chaque puits de potentiel du super-réseau 30 un niveau d'énergie localisé par le champ électrique. Ces niveaux d'énergie localisés sont distribués régulièrement de puits à puits et descendent par échelons réguliers depuis un côté amont, jusqu'à un côté aval du super-réseau. Le côté amont et le côté aval sont déterminés par le sens d'application du champ électrique F, les électrons circulant du côté amont vers le côté aval. La hauteur des échelons est liée au champ électrique F appliqué. Elle est égale à hvB, où h est la constante de Planck et vB la fréquence de Bloch. On a hvB .e.F.d, avec e la charge de l'électron, et d la périodicité du super-réseau. Ces échelons sont représentés schématiquement sur la figure 2 qui représente le diagramme de bandes de conduction de la superposition de couches minces formant l'injecteur, le super-réseau et l'extracteur, de la structure de la figure 1. On trouve sur cette figure l'alternance des barrières et des puits de potentiel, avec, de gauche à droite, l'alternance barrière/puits/barrière de l'injecteur 40, les 5 alternances puits/barrière du super-réseau 30, et l'alternance barrière/puits/barrière de l'extracteur 20. En réalité la dernière barrière du super-réseau est "fondue" avec la barrière suivante de l'extracteur. Considérant que le super-réseau commence par la couche 39 formant un puits de potentiel, en appliquant un champ électrique statique F dans le sens du bas de l'empilement vers le haut de l'empilement, on obtient les 5 échelons de Wannier-Stark représentés sur la figure 2, notés WS1 à WS5, où WS1 est l'échelon le plus haut, localisé et centré sur le premier puits 39 du super-réseau et WS5, l'échelon le plus bas, localisé et centré sur le dernier puits 31 du super-réseau. Le puits 42 de l'injecteur 40 se trouve ainsi en amont du super-réseau, et forme un moyen d'injection d'électrons, c'est-à-dire un réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par la barrière de potentiel 41. Ce puits 42 présente un niveau d'énergie propre L, qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark WS2 du deuxième puits 37 du super- réseau ; le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau d'énergie de l'échelon WannierStark WS2 du deuxième puits. Les électrons peuvent passer du moyen d'injection vers le deuxième puits du super-réseau sans être bloqués dans le premier puits. L'injection d'électrons dans le super-réseau se fait alors doublement : - d'une part sur le niveau de Wannier-Stark WS1 du premier puits 39 avec un couplage assez fort dû à la présence d'une seule barrière de potentiel étroite, de largeur w,, entre le premier puits 39 du super-réseau et le réservoir d'électrons 42 mais hors résonance, - d'autre part sur le niveau de Wannier-Stark WS2 du deuxième puits 37, avec un couplage plus faible, mais au voisinage de la résonance donc avec une plus grande efficacité de transfert. Le couplage est plus faible puisqu'il y a deux barrières de potentiel : la barrière 41 entre l'injecteur et le premier puits du super-réseau, et la barrière 38 entre le premier puits et le deuxième puits du super-réseau. La structure de l'invention permet ainsi d'injecter de manière cohérente des populations d'électrons du même ordre de grandeur dans différents puits du super-réseau. Elle favorise ainsi l'apparition de plusieurs états statiques stables d'injection d'un courant dans le super-réseau et évite la nécessité d'une excitation optique impulsionnelle de ces puits. On notera par ailleurs que l'injection de charges dans les puits a un effet sur le mécanisme d'injection lui-même. En effet, les variations locales de densité de charges injectées dans les puits modifient les potentiels électroniques et rétroagissent sur les niveaux quantiques d'énergie que peuvent prendre les électrons. Le caractère plus ou moins résonant de l'injection dépend donc de l'injection elle-même, ce qui favorise l'apparition de plusieurs états statiques stables de répartition de la densité de charge et du potentiel dans les puits du super-réseau, lorsque l'injection est suffisante. Ces états statiques, en réalité métastables dans leur environnement, participent à l'apparition d'oscillations dans certains domaines de fréquence dépendant de l'environnement électromagnétique du composant et celles-ci sont entretenues par l'application du champ électrique statique aux bornes de la structure. De telles oscillations résultant de transferts de charges entre les états limites que sont les états statiques métastables, elles peuvent constituer des sources de rayonnement et de signaux électromagnétiques jusqu'au voisinage de la fréquence de Bloch vB, et donc des sources térahertz. La structure de l'invention et le mécanisme d'injection des électrons qui viennent d'être expliqués en relation avec les figures 1 et 2 ne se limitent pas à l'exemple illustré. En particulier, et de manière plus générale, le puits 42 de l'injecteur 40 doit présenter un niveau d'énergie propre L, qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark WS2 d'un puits du super-réseau au-delà du premier puits. Le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau d'énergie de l'échelon Wannier-Stark de ce puits du super-réseau, qui est au-delà du premier puits. En aval du super-réseau 30, l'extracteur 20 permet d'extraire les électrons. Il comprend une barrière 23 en aval du dernier puits 31 du super-réseau suivi d'un puits d'extraction 22. Le puits d'extraction 22 présente un niveau d'énergie propre Le situé sensiblement à la même hauteur que le niveau d'énergie de l'échelon de Wannier-Stark WS5 du dernier puits 31 du super-réseau. Ce niveau Le est donc bien plus loin du fond du puits que les niveaux de Wannier Stark dans les puits du super-réseau sur les figures où tous les puits sont fabriqués en utilisant le même matériau GaAs. L'extraction des électrons se fait ainsi sur le niveau d'énergie Le du puits d'extraction à travers la barrière 23, de largeur we, et au voisinage de la résonance donc avec une grande efficacité d'extraction. En pratique, le réservoir d'électrons est alimenté directement ou indirectement par une région d'entrée dopée de type N. Dans l'exemple de la figure 1, la couche 52 forme une région fortement dopée permettant une alimentation directe. Dans ce cas, le plus simple est de prévoir une région moins dopée de type N entre la région fortement dopée et l'injecteur 40. Dans l'exemple de la figure 1, cette région moins dopée est réalisée par la couche 51, entre la couche 52 et la couche barrière 43 de l'injecteur 40. De la même manière, le moyen d'extraction alimente directement ou indirectement une région de sortie dopée de type N qui peut être constituée, après la barrière de potentiel fermant le puits d'extraction, d'une région dopée de type N suivie d'une région fortement dopée de type N+. Ce sont les couches respectivement 12 et 11 de la structure de la figure 1. Les deux régions d'entrée 52 et de sortie 11 de type N constituent les régions de contact par lesquelles on applique le champ électrique statique F auquel doit être soumis le super-réseau pour constituer l'échelle de Wannier-Stark et entre lesquelles circule le courant. Elles sont reliées électriquement à un circuit de polarisation continue grâce à un dépôt de métal sur chacune d'elles (zones hachurées sur la figure 1). Une réalisation particulièrement intéressante de l'invention comprend une répétition du motif injecteur/super-réseau/extracteur. Une structure correspondante comprendra alors plusieurs super-réseaux en cascade séparés entre eux par des moyens d'injection et des moyens d'extraction. Le premier super-réseau de cette cascade est alimenté directement par une région de type N. Les autres le sont indirectement, c'est- à-dire chacun par le sous-réseau qui le précède. Dans une telle configuration, on s'arrange pour que le moyen d'injection ou réservoir d'électrons d'un super-réseau en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau situé immédiatement en amont : un seul puits sert alors de puits d'extraction et de puits d'injection. Il comprend deux niveaux d'énergie propre, un niveau d'énergie L, plus proche du fond du puits, et qui est sensiblement du même niveau d'énergie que le niveau de Wannier Stark d'un puits au-delà du premier puits de ce super-réseau; et un niveau d'énergie Le plus éloigné du fond du puits, qui est sensiblement du même niveau d'énergie que le niveau de Wannier Stark du dernier puits du super-réseau situé immédiatement en amont. Les électrons sont ainsi extraits du dernier puits du super-réseau amont, vers le niveau haut Le du puits extracteur/injecteur. De là ils tombent au niveau bas de ce puits ; ils sont ensuite injectés par effet tunnel résonnant par exemple dans le deuxième puits d'un super-réseau aval. La figure 3 représente le diagramme de bandes de conduction de la même partie centrale que la figure 2, mais où le super-réseau est couplé à un moyen d'injection/extraction en amont et en aval. Les mêmes références ont donc été conservées pour les éléments communs à ces deux figures. Dans le cas d'une telle répétition de super-réseaux, on s'arrange pour que les deux niveaux d'énergie Le et L, de chaque puits extracteur/injecteur soient séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal, égal à hvLo (h constante de Planck). De cette manière, les électrons qui passent du niveau haut au niveau bas effectuent une transition très rapide, non radiative. L'énergie E correspondant à la chute de potentiel sur chaque motif répété (puits d'injection/super-réseau/puits d'extraction), est égale à : E=hvw +(n-2)hvB +Ô, +Ô, Pour effectuer l'ajustement de la valeur de cette différence de niveaux (Le-L, ) dans le puits extracteur/injecteur, on peut diviser le puits de chaque moyen d'extraction/injection en deux (ou plusieurs) couches séparées par une (ou plusieurs) couche(s) barrière intercalaire(s) très étroite(s) et ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits. Si on prend l'exemple d'une unique couche intercalaire très étroite séparant le puits extracteur/injecteur initial en deux parties, si les couches barrières de la structure comprennent un pourcentage d'aluminium de 15% (A10,15Ga0,85As), cette couche intercalaire très étroite peut avoir une composition en aluminium de 7 à 15%, éventuellement davantage, et être sept ou huit fois plus étroite que les puits qui l'encadrent. Les caractéristiques d'une telle couche intercalaire unique permettent de régler finement l'écart entre les deux niveaux d'énergie Le et L, du puits d'extraction/injection lorsqu'elle est placée au voisinage de la position centrale dans le puits initial. Par exemple, une structure correspondante comprendra, comme illustré sur la figure 4 (à lire de gauche à droite), un premier extracteur/injecteur E/11 en amont d'un premier super-réseau SR1, suivi d'un extracteur/injecteur E/12, suivi d'un deuxième super-réseau SR2.... La structure peut se poursuivre ainsi par répétition du motif super-réseau- extracteur/injecteur. En amont et en aval de cette séquence, on retrouvera une région de contact respective, dopée de type N. On pourra prévoir un dernier puits extracteur entre le dernier super-réseau d'aval et la région de contact aval. On peut suivre sur la figure 4, l'allure générale des niveaux de potentiel des puits et des barrières qui résultent de cette structure. A titre d'exemple, les motifs et compositions de couches des différents éléments de cette structure périodique pourront être les suivants, avec pour chaque élément, les différentes couches constitutives d'aval en amont, et pour chaque couche : le matériau et sa composition, l'épaisseur de couche, en Angstrôms (1 nm=10À), et le cas échéant, la concentration en impuretés de dopage N (silicium). On a ainsi : Pour le contact Aval: couche de contact aval : GaAs - 2000 - 2.1018/cm3 couche intercalaire: GaAs - 500 - 1.1017/cm3 Pour chaque élément extracteur/injecteur (éléments I/E2 et I/Ei sur la figure 4): barrière (aval): Al15Ga85As - 16 (w,) - puits (200-2 et 100-2): GaAs - 62 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière étroite (200-b et 100-b): Al15Ga96As - 9 - puits (200-1 et 100-1): GaAs - 82 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière (amont): Al15Ga85As - 60 (we)- Pour chaque super-réseau (SR2 et SRI sur la figure 4) : puits : GaAs - 68 (a) - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches 25 barrière : puits : barrière : puits : barrière : puits : barrière : puits : Ali5Ga85As - 33 (b) - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Pour le contact Amont: couche intercalaire : GaAs - 500 - 5.1017/cm3 couche de contact amont: GaAs - 5000 - 5.1018/cm3 30 Une structure selon l'invention peut ainsi être par exemple constituée en empilant ces différents motifs, avec une alternance périodique des motifs de puits extracteur/injecteur et de super-réseau, entre les contacts aval et amont. Dans une variante entre le contact aval et le dernier super- 35 réseau de la structure (avec la convention que le premier super-réseau de la structure est le premier trouvé en partant de l'amont), on réalise un puits d'extraction, c'est-à-dire un puits qui n'est pas aussi un puits d'injection. Dans la structure qui vient d'être décrite à titre d'exemple, la périodicité d=a+b du motif des super-réseaux est égale à 101À (68+33) soit 10,1nm, et le nombre n de périodes est égal à 5, soit une épaisseur de super-réseau égale à eSR=n.d=505Â, soit 50,5 nm, et une épaisseur de chaque extracteur/injecteur de 229Â, soit 22,9 nm. Le diagramme représenté sur la figure 4, met en évidence le niveau de potentiel intermédiaire dans les puits 100 et 200 des éléments extracteurs/injecteurs, qui résulte de la barrière étroite respectivement 100-b et 200-b séparant chacun de ces puits en deux parties (100-1, 100-2 et 2001, 200-2). Dans une telle structure selon l'invention, les résonances d'injection et d'extraction sont suffisamment efficaces pour dépasser le seuil de bistabilité d'injection et atteindre l'établissement d'un régime de bistabilité d'injection (bistabilité d'injection au second voisin dans l'exemple) susceptible d'exciter l'oscillation de Bloch dans le super-réseau 30. Ces résonances d'injection et d'extraction apparaissent comme des paires de niveaux : la paire (L,, WS2) pour l'injection et la paire (Le, WS5) pour l'extraction. Ces paires sont caractérisées par les énergies de couplage, respectivement 8,=(L,-WS2)rnin et 8e=(WS5-Le)min égales à la séparation minimale entre les niveaux d'énergie lorsque le champ électrique F varie. Ces énergies de couplage 8, et .3e sont gouvernées par les épaisseurs de barrière w, et we et doivent être comparables aux largeurs des niveaux de Wannier-Stark. Par exemple, dans la structure décrite précédemment, 8,=6meV et 6e=3meV. En outre la position du niveau bas L, dans le puits d'injection 42 dépend principalement de son épaisseur w. w, w, et we sont ainsi des paramètres de caractérisation déterminants de la structure de l'invention. L'épaisseur w détermine la précision des mises en résonance des niveaux d'énergie en fonction du champ électrique F, et ainsi la fréquence centrale de fonctionnement et la plage d'accordabilité lorsque le champ varie. Les épaisseurs w, et we déterminent l'efficacité de l'injection et de l'extraction et influencent aussi l'accordabilité. Pour la conception du motif de super-réseau, les épaisseurs de couches du super-réseau seront en pratique choisies de telle sorte que la largeur de la première minibande du super-réseau soit plus grande que la séparation entre les niveaux de Wannier-Stark pour éviter des transferts d'électrons vers des niveaux d'énergie parasites n'appartenant pas à l'échelle de Wannier-Stark utile. L'épaisseur totale eSR=n.d du motif du super-réseau, égale à 50,5 nm dans l'exemple de structure précédemment décrite, doit être contrôlée pour permettre l'entretien des oscillations de Bloch : l'épaisseur doit être inférieure ou égale à la vitesse moyenne V des électrons dans le super- réseau (V est fonction du champ électrique F appliqué) divisée par la fréquence de Bloch vB (fonction de la hauteur des échelons de l'échelle de Wannier-Stark; la hauteur des échelons s'écrit en effet : h.vB=e.F.d, où h est la constante de Planck e la charge de l'électron et d la périodicité du super-réseau). Cela permet que la fréquence de coupure liée à la résonance de transit qui est de l'ordre de 1 /T, où T=eSR/V est le temps de transit des électrons dans le super-réseau, ne devienne pas sensiblement inférieure à la fréquence de Bloch vB. Si ce n'était pas le cas le fort amortissement qui se produit au-delà de la fréquence égale à l'inverse du temps de transit des électrons dans le 20 super-réseau défavoriserait fortement l'établissement d'un régime d'oscillations entretenues. Un autre temps caractéristique du super-réseau est le temps t de relaxation de la cohérence du transport. Le champ critique Fc au-delà duquel la vitesse moyenne V des électrons diminue lorsque le champ électrique F 25 augmente est donné par e.d.Fc=h/(27u). C'est aussi un champ au-delà duquel les niveaux de Wannier-Stark du super-réseau sont bien individualisés. En pratique, le rapport PT du temps de transit au temps de relaxation doit rester inférieur à environ an. 30 Enfin, pour que les oscillations de densité de charge électronique qui se produisent dans le ou les super-réseaux puissent être converties en une radiation à fréquence térahertz émise dans l'espace libre, on prévoit de préférence que la structure oscillante est placée au coeur d'une antenne active de type microstrip, appelée encore antenne patch, d'impédance 35 adaptée autant que possible à la structure oscillante à super-réseau. En pratique, l'antenne sera connectée au circuit de polarisation continue de la structure. Ce circuit pourra faire varier le champ électrique (F) et la fréquence de fonctionnement au voisinage de la fréquence centrale d'émission/réception de l'antenne. Deux variantes de réalisation d'une telle antenne sont illustrées sur les figures 5 et 6. La figure 5 illustre l'intégration d'une structure SSL selon l'invention dans une antenne patch A avec un tronçon d'adaptation quart d'onde wsxi4 ouvert au bout. Plus précisément, la structure SSL source de fréquence térahertz est intégrée dans une cavité diélectrique, par exemple une cavité de benzocyclobutène CBCB, prise en sandwich entre deux couches métalliques M1 et M2, typiquement en or. La couche de métal en dessous (M2) sert de plan de masse pour la masse électrique et pour les ondes térahertz. L'épaisseur de la structure définit l'épaisseur de la cavité. La couche de métal supérieure, c'est-à-dire le patch, sert d'antenne émettrice de rayonnement, en même temps qu'elle est reliée électriquement au circuit de polarisation continue. Ce dernier, également relié à la masse, fournit ainsi la polarisation continue à la structure SSL intégrée entre le patch (couche M1) et le plan de masse (couche M2) de l'antenne, qui se fondent à l'endroit de la structure SSL avec les deux couches métalliques représentées sur la figure 1. Le patch peut être aussi bien de forme rectangulaire, comme illustré, que de forme ronde. Ses dimensions définissent la fréquence de résonance. Si on regarde l'aspect adaptation d'impédance, il faut considérer la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance de la structure SSL. S'agissant de la partie réelle, on placera la structure SSL dans la cavité à un emplacement tel que la partie réelle de son impédance corresponde, changée de signe, à la partie réelle de l'impédance de l'antenne à cet emplacement. Pour compenser la partie imaginaire de l'impédance de la structure SSL, on a en principe deux options. La première option, représentée sur la figure 5, est d'utiliser un tronçon d'adaptation quart d'onde wsxi4 ouvert au bout. La deuxième option représentée sur la figure 6, est d'utiliser un 35 tronçon d'adaptation demi-onde wsx/2 fermé au bout. Le tronçon est fermé par une capacité planaire SC, typiquement formée par une couche formant un plot métallique supérieur, séparé du plan métallique inférieur M1 par une épaisseur de diélectrique eGp inférieure à l'épaisseur ews de diélectrique du tronçon wsxi2. Cette deuxième option assure la continuité électrique entre le patch et la capacité planaire pour la polarisation continue. Son avantage est de permettre de fournir la polarisation continue à la structure SSL intégrée par une connection électrique arrivant sur la capacité planaire plutôt que sur le patch, ce qui minimise la perturbation apportée à l'émission térahertz par cette liaison. L'homme du métier définira ainsi les différentes dimensions et épaisseurs pour obtenir l'adaptation optimale désirée. REVENDICATIONS1. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz ou de génération et traitement de tels signaux, 5 comprenant un super-réseau semiconducteur (30) constitué par une alternance périodique, de période d, d'au moins deux couches superposées, très minces, de deux matériaux semiconducteurs de bandes interdites différentes et de mailles adaptées, en relation épitaxiale, les couches de l'un des matériaux constituant n puits de potentiel (39, 37, 35, 33, 31) et les 10 couches de l'autre matériau constituant des barrières de potentiel (38, 36, 34, 32) encadrant ces puits, l'ensemble de la structure étant soumis à un champ électrique statique (F) dans le sens de l'empilement des couches, et le champ électrique étant suffisant pour que la vitesse moyenne des électrons diminue avec l'augmentation du champ, le champ électrique 15 produisant dans le super-réseau une répartition discontinue de niveaux d'énergie électronique propres selon une échelle de Wannier-Stark avec un niveau d'énergie dit niveau de Wannier-Stark, confiné localisé sur chaque puits de potentiel, le super-réseau commençant du côté amont dans le sens de circulation des électrons par un premier puits (39), caractérisé en ce qu'il 20 est prévu un moyen d'injection d'électrons (40), formant réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par une barrière de potentiel (41) et présentant un niveau d'énergie propre (L1) qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark d'un ième puits (37) du super-réseau situé au-delà du premier puits (39) du super-réseau de sorte que le niveau d'énergie 25 (Li) du réservoir d'électrons soit mis en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau de Wannier-Stark de ce ième puits du super-réseau. 2. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1, dans laquelle le ième puits du 30 super-réseau est le deuxième puits (37) dans le sens de l'amont vers l'aval. 3. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen d'injection (40) est formé par un puits de potentiel (42) suivi d'une barrière de 35 potentiel (41), en amont du premier puits (39) du réseau. 4. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 3, dans laquelle le puits de potentiel du moyen d'injection comporte au moins un niveau d'énergie propre (L1) plus proche du fonds du puits que les niveaux de Wannier-Stark (WS1, WS2, WS3, WS4, WS5) formés dans les n puits du super-réseau. 5. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle les puits de la structure sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines ou identiques, et le puits du moyen d'injection est plus large que les puits du super-réseau. 6. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans 15 laquelle est prévu un moyen d'extraction (20) qui comprend une couche (23) formant barrière de potentiel en aval du nième puits (31) du super-réseau et un puits d'extraction (22) suivant cette barrière, le puits d'extraction présentant un niveau d'énergie propre (Le) sensiblement à la même hauteur que le niveau de Wannier-Stark (WS5) du nième puits (31) du super-réseau. 20 7. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 6, qui comprend une répétition de plusieurs super-réseaux en cascade (SR1, SR2) séparés par des moyens d'extraction et d'injection. 25 8. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 7, dans laquelle le moyen d'injection ou réservoir d'électrons (E/I2) d'un super-réseau (SR2) situé en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau (SRI) 30 situé immédiatement en amont, un seul puits de potentiel (200) servant de puits d'extraction et de puits d'injection. 9. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 8, dans laquelle le puits de potentiel 35 extracteur-injecteur (100) est caractérisé par deux niveaux d'énergie propre 2 9 80642 24 (Le , Li) différents, l'un étant plus haut (Le ) et servant pour l'extraction, l'autre étant plus bas (Li) et servant pour l'injection. 10. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le 5 domaine térahertz selon la revendication 9, dans laquelle les deux niveaux d'énergie du puits extracteur/injecteur sont séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal. 11. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le 10 domaine térahertz selon la revendication 10, dans laquelle le puits extracteur/injecteur (100) est divisé en deux couches (100-1, 100-2) séparées par une couche barrière intercalaire (100-b) très étroite ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits. 12. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur totale du super-réseau (es,) est inférieure ou égale à la vitesse moyenne des électrons V dans le super-réseau pour la valeur du champ électrique F appliqué, divisée par la fréquence de Bloch vB, définie par une énergie hvB = e.F.d qui est inférieure à la largeur de la première minibande du super-réseau, avec e, la charge de l'électron et h, la constante de Planck. 13. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite structure (SSL) est placée au coeur d'une antenne active d'émission/réception (A) en technologie microruban. 14. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 13, l'antenne active (A) comprenant un tronçon d'adaptation d'impédance à bout ouvert. 15. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le 35 domaine térahertz selon la revendication 13, caractérisée en ce quel'antenne active (A) comprend un tronçon d'adaptation d'impédance à bout fermé.