Etude

Christine

Description

Etude des oscillations THz dans des systèmes en InGaAs Lionel Duvillare Jérémy Pousset, Jean-François Millithaler, Giulio Sabatini, Hugues Marinchio, Christophe Palermo, Luca Varani Institut d'Electronique du Sud, UMR 5214 Université Montpellier II place Eugène Bataillon 34095 Montpellier Cedex 5 Javier Mateos, Susana Perez, Tomas Gonzalez, Daniel Pardo Dpto. Fisica Aplicada, Université de Salamanque Espagne Résumé : Nous avons étudié les oscillations électriques dans le domaine TeraHertz à travers l’analyse du bruit, calculé à partir de simulations Monte Carlo. Les résultats montrent la présence de résonances attribuées à des modes de plasma bidimensionnels et tridimensionnels en très bon accord avec le modèle analytique des ondes de plasma. Les applications dans le domaine des ondes TeraHertz sont nombreuses mais leur développement requiert des sources et des détecteurs compacts et bon marché. Un composant électronique facilement intégrable dans des circuits à haute fréquence est potentiellement candidat aux applications TeraHertz: le transistor à haute mobilité électronique (HEMT). En effet, des expériences récentes ont relaté 1,2l'émission et la détection d'ondes THz par celui-ci . Notre objectif est d'étudier et de comprendre les phénomènes physiques responsables de ce comportement à très haute fréquence. Pour cela nous avons effectué des simulations microscopiques, basées sur la méthode Monte Carlo, sur des dispositifs de ...

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Etude des oscillations THz dans des systèmes en InGaAs

Lionel Duvillare Jérémy Pousset, Jean-François Millithaler, Giulio Sabatini,

Hugues Marinchio, Christophe Palermo, Luca Varani

Institut d'Electronique du Sud, UMR 5214 Université Montpellier II

place Eugène Bataillon 34095 Montpellier Cedex 5

Javier Mateos, Susana Perez, Tomas Gonzalez, Daniel Pardo

Dpto. Fisica Aplicada, Université de Salamanque Espagne

Résumé : Nous avons étudié les oscillations électriques dans le domaine TeraHertz à travers

l’analyse du bruit, calculé à partir de simulations M onte Carlo. Les résultats montrent la présence

de résonances attribuées à des modes de plasma bidimensionnels et tridimensionnels en très bon

accord avec le modèle analytique des ondes de plasma.

Les applications dans le domaine des ondes TeraHertz sont nombreuses mais leur

développement requiert des sources et des détecteurs compacts et bon marché. Un

composant électronique facilement intégrable dans des circuits à haute fréquence

est potentiellement candidat aux applications TeraHertz: le transistor à haute

mobilité électronique (HEMT). En effet, des expériences récentes ont relaté

l'émission et la détection d'ondes THz par celui-ci

1,2

. Notre objectif est d'étudier et

de comprendre les phénomènes physiques responsables de ce comportement à très

haute fréquence. Pour cela nous avons effectué des simulations microscopiques,

basées sur la méthode Monte Carlo, sur des dispositifs de complexité croissante,

en partant de la zone active du HEMT (le canal d'In

0.53

Ga

0.47

As) puis en

s'approchant du système complet. Pour étudier des comportements oscillatoires

aux fréquences THz, nous avons calculé la densité spectrale de bruit S(f) à partir

de la transformée de Fourier de l’autocorrélation de la tension et du courant. Nous

avons ainsi étudié deux systèmes : le barreau simple et le barreau entouré d’un

isolant. Nous avons observé la présence d’oscillations aux fréquences TeraHertz

dans ces systèmes. La dépendance de ces oscillations à la concentration de

dopants et la géométrie des systèmes a été étudiée et comparée au modèle

analytique des ondes de plama

3

. Ce modèle analytique décrit la fréquence des

oscillations

3D

et

2D

par les équations :

où

e

est la charge élémentaire,

n

la concentration électronique,

m

la masse

effective,

εε

0

la permittivité du matériau

et

L

la longueur du canal. L’étude du

bruit des variations en tension et en courant que nous avons effectué à mis en

évidence la présence d’oscillations ‘3D’ dans le cas du barreau d'In

0.53

Ga

0.47

As

seul dont la fréquence et sa dépendance à la concentration est en bon accord avec

le modèle analytique comme on le voit sur la figure 1g :

Figure 1 : (gauche) : Fréquence des pics d’oscillations, dans le barreau, en fonction de la longueur

et de la concentration. Les droites représentent la fréquence théorique du modèle des ondes de

plasma et les symboles les résultats des simulations. (droite) : Fréquence des pics d’oscillations,

dans un barreau entouré de diélectrique, en fonction de la longueur et de la concentration. Les

courbes représentent la fréquence théorique du modèle et

les points les résultats des simulations

Dans le dispositif constitué du même barreau entouré d’isolant, le diélectrique est

ici utilisé pour résoudre l’équation de poisson à l’extérieur du canal et ainsi nous

permettre d’étudier l’influence des lignes de champ sur le plasma. Nous avons

observé des oscillations de type

2D

dont la fréquence dépends de la concentration

mais aussi de la longueur du canal (figure 1d).

Nous avons étudié le transport électronique dans le canal du HEMT et la présence

d’oscillations

2D

et

3D

aux fréquences TeraHertz y a été mise en évidence par

des simulations microscopiques. La dépendance à la densité électronique ainsi

qu’à la longueur du canal des oscillations obtenues est en très bon accord avec le

modèle analytique des ondes de plasma. Pour déterminer si les oscillations THz

observées expérimentalement sur des HEMT sont bien des ondes de plasma, il

faut encore poursuivre cette étude sur des dispositifs approchant de plus en plus la

structure complète du HEMT mais ces premiers résultats semblent aller dans ce

sens.

Références

[1] Knap, J. Lusakowski, T. Parenty, S. Bollaert, A. Cappy,V. V. Popov, M. S. Shur ”Terahertz emission by

plasmawaves in 60 nm gate high electron mobility transistors”. J. Appl. Phys., V 97, N 6, p.64307, 2005.

[2] A. El Fatimy, F. Teppe, N. Dyakonova,W. Knap, D. Seliuta, G. Valusis,A. Shchepetov, Y. Roelens, S.

Bollaert, and A. Cappy, and S. Rumyantsev ”Resonant and voltage-tunable terahertz detection in InGaAs/InP

nanometer transistors”. Appl. Phys. Lett. 89, 131926, 2006.

[3] M. Dyakonov and M. Shur ”Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor : New mechanism of

plasma wave generation by dc current”. Phys. Rev. Lett., 71, pp.2465-2468 (1993).