Brevet FR3115371A1 — publié le 20220422

Le but de la présente invention est de produire un générateur d’ondes électromagnétiques THz compacte à l’aide de transistor à effet de champ. Générateur d’ondes électromagnétiques THz commandé par des transistors à effet de champ. La présente invention concerne un dispositif de génération d’ondes électromagnétiques THz (fréquence de 1 à 10 THz) commandé par des transistors à effet de champ. Le générateur est stabilisé en faisant osciller ce dernier à une longueur d'onde qui peut être adaptée en fonction de la structure de bande des matériaux utilisés. Etat de l’art: L'invention concerne un dispositif de génération d’ondes électromagnétiques de 1 à 10 THz commandé par des transistors à effet de champ. Un tel générateur peut être utilisé dans le domaine des télécommunications, des réseaux sans fil, des radars, de la surveillance, de la détection de gaz, de l’observation des étoiles, du domaine médical. Actuellement il existe plusieurs types de générateur d’ondes électromagnétiques THz. Dans le brevet WO2007037243, le dispositif de génération d’ondes THz comporte plusieurs lumières lasers à impulsions et génère une onde THz à partir d’un système de composition de fréquences et de filtrage. Dans le brevet WO2005098530, le dispositif de génération d’ondes THz est très proche du brevet WO2007037243 mais il comporte en plus un dispositif de circulation de lumière. Dans le brevet WO2012153666A1, le dispositif comprend une fibre creuse dans laquelle un milieu de gain est disposé. Cette fibre est excitée par une énergie d’excitation et l’onde générée est prélevée sur un résonateur. Dans le brevet FR3061367, le dispositif comprend un cristal non linéaire adapté pour former à partir de deux générateurs, une radiation THz issue de la différence de fréquences. La fréquence générée est comprise entre 0.3 THz et 10 THz et le dispositif a un module de stabilisation en fréquence. Par ailleurs, il faut préciser que J.M. Redwing a proposé une structure à semi-conducteurs avec une région de gap périodique élevée, et une structure de fil dans laquelle le silicium et le germanium sont agencés alternativement. Cependant, dans ce dernier dispositif, il est généralement nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode source pour créer un nœud artificiel et par conséquent l’onde est perturbée. Le but de la présente invention (5000) est de générer des ondes électromagnétiques de 1 à 10 THz à l’aide de transistor à effet de champ. La présente invention utilise les ondes de plasma. Dans la présente invention, l’indice de réfraction de la partie active est compris entre 200 et 400. Dans la présente invention, la longueur d’onde de plasma est un multiple de la longueur d’onde de la partie active. Dans la présente invention, la plus petite dimension dans la partie active a une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm pour augmenter la densité électronique et permettre ainsi une bonne transmission par effet tunnel. Dans la présente invention, les matériaux sont disposés astucieusement dans la partie active afin de créer des barrières de potentiel au nœud de l’onde, ainsi il n’est pas nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode de source. Dans la présente invention, la puissance de l’onde électromagnétique (quelques mW) peut être augmentée si dans la partie active les matériaux sont disposés de façon périodique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-dessous : - , la représente le schéma du générateur d’ondes électromagnétiques THz selon l’invention ; - , la représente une coupe transversale de cet exemple de réalisation selon l'invention ; - , la représente des barrières de potentiel du générateur d’ondes selon l'invention ; - , la représente un autre exemple de réalisation selon l'invention. Description de l’invention: Dans la présente invention (5000), le générateur d’ondes électromagnétiques THz est composé d’une pluralité de couches de semi-conducteurs. Dans la présente invention, les électrons introduits dans la partie active vibrent entre les points de réflexion en utilisant une région à haut gap et une région à faible gap et génèrent une onde plasma. Dans la présente invention, une vibration ayant un nœud dans la région de gap élevé est générée, et la longueur d’onde λ de l’onde plasma est un multiple de la longueur de la partie active. Dans la présente invention, il n’est pas nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode de source. Dans la présente invention, la plus petite dimension de la région à haut gap a une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm, ce qui permet de garantir une bonne conduction de courant par effet tunnel et une oscillation de plasma. Dans la présente invention, la position de la région à haut gap peut être contrôlée de façon extrêmement précise lors du processus de fabrication, de sorte que l’onde de plasma peut être générée grâce à la longueur de l’électrode de grille. Dans la présente invention, si la taille de la partie active est inférieur à la moité de la longueur d’onde de l’onde plasma, les perturbations multimodes et fronts d’onde sont diminuées. Dans la présente invention, une pluralité de nœuds de l’onde de plasma peut être formée en utilisant une région à haut gap à l’intérieur de la partie active, de sorte que l’électrode de grille peut être allongée quelque soit la longueur d’onde de l’onde de plasma. Dans la présente invention, il est possible d’augmenter la puissance de l’onde électromagnétique générée tout en simplifiant le dispositif de commande avec une seule électrode de grille. Dans la présente invention, la région de faible gap peut être constituée de germanium, et la région de haut gap peut être constituée de silicium. Dans la présente invention la région de faible gap peut être constituée d’un composé d’aluminium, et la région de haut gap peut être constituée d’un composé d’Indium. Dans le mode de réalisation de la présente invention la représente un schéma du générateur d’ondes électromagnétiques et la représente une coupe transversale selon C-C’. Dans le mode de présentation de l’invention, le substrat (580) peut être en silicium. Le film isolant (570) peut être en SiO 2. L’électrode de grille (500) peut être composée de poly-silicium. L'électrode de source (510), l'électrode de drain (520) sont formées par levage pour obtenir un élément générateur d'ondes électromagnétiques. Dans le mode de présentation de l’invention, du germanium est utilisé pour la région de faible gap et du silicium est utilisé pour la région de haut gap notamment dans la fabrication de la partie active (530, 540, 550, 560). Si la partie active a une taille inférieur à 20 nm il faut adapter la composition de celle-ci pour éviter un phénomène de blocage de Coulomb car la barrière de potentiel à franchir peut être trop élevée. Dans la présente invention, lorsque la tension de grille est de 1 V, la fréquence de l’onde de plasma est proche de 4 THz. Dans la présente invention, il peut être envisagé d’obtenir des fréquences d’ondes de plasma de l’ordre de 1 THz. Dans la présente invention, la puissance de sortie de l’onde (quelques mW) est la suivante : P = ( C * U 02 * W * L e ) * (V 0 / L e ) * α 2 (1) Dans cette formule (1), C est la capacité surfacique sous l’électrode de grille ; U 0 est la composante continue de la tension appliquée au canal sous l’électrode de grille ; W est la largueur de la partie active ; Le est la longueur de la partie active ; V 0 est la vitesse de l’électron ; α est le degré de modulation égale au rapport de la composante alternative sur la composante continue (U 1 / U 0 ) lorsque U=U 0 +U 1 e (iωt). Le premier terme entre parenthèses de la formule (1) représente l’énergie E stockée sous l’électrode de grille et le deuxième terme entre parenthèses de la formule (1) représente le nombre n ar d’aller retour des électrons qui vont et viennent entre les barrières de potentiel représentées sur la . Dans la présente invention, l’indice de réfraction effectif n eff est proche de 300 (il peut être compris entre 200 et 400) lorsque la concentration d’électrons dans la couche semi-conductrice est de 10 12 cm -2 . Généralement, l’indice de réfraction est proche de 3 dans un semi-conducteur de type silicium. Dans la présente invention, en augmentant la concentration il est possible de diminuer l’indice effectif et ainsi d’adapter la vitesse de déplacement des électrons. Dans la présente invention, la vitesse c p de l’onde plasma dépend de la tension appliquée à travers la relation c p =(eU 0 /meff ) 0.5 (2). Dans la présente invention, il est possible de modifier la fréquence de l’onde plasma fp = cp / 4Le en jouant sur la tension appliquée U0 et sur la masse effective meff des électrons dans les matériaux. Dans la présente invention, la fréquence de l’onde plasma sera adaptée à la structure périodique en fonction de l’indice de réfraction effectif ceci afin de générer la fréquence attendue. Dans la présente invention, l’électrode de grille peut être en or, en argent, en aluminium, en cuivre. Dans la présente invention, la longueur de l’électrode de grille est constante, aussi la longueur d’une région de gap élevé peut être modifiée, même si l’énergie E stockée est constante. Dans la présente invention, en augmentant le nombre nar de régions à gap élevé ( ), la période entre les régions à gap élevé devient Leff = Lg / nar et la puissance de sortie devient P’= P * nar . Dans la présente invention, la fréquence et l’intensité de l’onde plasma peuvent être modifiées en ajustant la période des régions à haut gap et à faible gap. Procédé de fabrication de l’invention: Plusieurs procédés peuvent être utilisés dans la formation de la présente invention. Des détails spécifiques concernant un procédé de gravure peuvent être trouvés dans le brevet américain No. 5,484,740, intitulé "Méthode de fabrication d'un semi conducteur III-V Gate Structure ", publié le 16 janvier 1996 et le brevet américain No. 5,619,064, intitulé "III-V Semi-conductor Gate Structure and Method of Manufacture », publié le 8 avril 1997, les deux étant indiquéq ici uniquement à titre de référence. D’autres procédés de fabrication de l’invention peuvent être la croissance vapeur-liquide-phase unique ou l’épitaxie en phase vapeur. Dans le mode de réalisation présenté, en effectuant un dopage à haute concentration sur une partie de la région à haut gap, il est possible de fournir des électrons de concentration élevée de la région à haute concentration à la région à basse concentration. , Générateur d'ondes électromagnétiques (5000), comprenant un substrat (580); une couche semi-conductrice maintenue sur le substrat (570); une électrode de grille (500); une électrode source (510) ; une électrode de drain (520); et une partie active (530, 540, 550, 560) composée d’une pluralité de régions. La fréquence et l’intensité de l’onde plasma peuvent être modifiées en ajustant la période des régions à haut gap et à faible gap. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel la longueur d’onde λ de l’onde plasma est un multiple de la longueur de la partie active. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel une pluralité de nœuds de l’onde de plasma peut être formée en utilisant une région à haut gap à l’intérieur de la partie active. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel en augmentant la concentration il est possible de diminuer l’indice effectif. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel la plus petite dimension de la région à haut gap a une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel le matériau à gap élevé est du silicium Si, le matériau à gap faible est du germanium. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel le matériau à gap élevé est un composé d’indium et le matériau à gap faible est un composé d’aluminium. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel l’électrode de grille peut être en or, en argent, en aluminium, en cuivre. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel le procédé de fabrication de l’invention peut être la croissance vapeur-liquide-phase unique. , Générateur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, dans lequel le procédé de fabrication de l’invention peut être l’épitaxie en phase vapeur.