1.3 Les détecteurs d’ondes sub-THz et THz
1.3.2 Les détecteurs incohérents
Les détecteurs incohérents sont des dispositifs qui permettent de mesurer une gran-deur physique dépendante de la valeur de la puissance ou de l’énergie d’une onde électro-magnétique, ici de fréquence sub-THz ou THz, incidente sur le détecteur. Ces détecteurs permettent donc d’obtenir une information uniquement sur le module de l’onde mesu-rée, mais ne renseignent pas sur sa phase.
Les photoconducteurs THz : Les photoconducteurs THz sont constitués de semicon-ducteurs dont la bande interdite est adaptée à l’absorption d’un photon THz. Le plus sou-vent il s’agit de semiconducteurs extrinsèques, dans lesquels l’ajout d’impuretés créé une bande d’énergie située entre la bande de conduction et la bande de valence. Une tran-sition énergétique accessible aux photons THz est alors créée. Quand le photoconduc-teur reçoit un rayonnement THz, des charges libres sont générées dans le semiconduc-teur. Sous l’effet d’une tension, la mise en mouvement des porteurs de charge permet de détecter un courant proportionnel à la puissance THz incidente. Pour diminuer le bruit thermique, les photoconducteurs THz sont refroidis à des températures cryogéniques. Les matériaux utilisés sont le Germanium dopé Gallium (Ge : Ga) [Beeman and Haller, 1994] qui absorbe des photons de longueur d’onde comprise entre 30 et 160µm ou en-core le Si : As pour la bande 100-500µm [H. Rieke, 2015]. Les photoconducteurs en AsGa extrinsèque sont performants dans la bande 100-350µm. Les fréquences accessibles aux
photoconducteurs THz sont donc comprises entre 600 GHz et 10 THz et le NEP est com-pris entre 4 × 10−14W/p
Hz (pour Si : As) et 10−11W/p
Hz (pour Ge : Ga et AsGa).
Les bolomètres : Les bolomètres permettent également de détecter des ondes sub-THz et sub-THz. L’absorption d’une onde électromagnétique par un milieu provoque un éch-auffement proportionnel à la puissance absorbée. La différence de température est mesu-rée ce qui permet de connaitre la puissance sub-THz ou THz incidente [Richards, 1994]. La zone absorbante est constituée d’un semiconducteur, comme par exemple le germa-nium ou le silicium. L’élévation de température est mesurée par la variation de résistance du matériau induite par la variation de température. Les bolomètres opèrent sur une large bande de fréquences. Le silicium permet en effet de mesurer un rayonnement pour des fréquences comprises entre 150 GHz et 150 THz avec un NEP de 2 × 10−12W/p
Hz pour une température de fonctionnement de 4.2 K. Le temps de réponse est en général de l’ordre de la milliseconde et la réponse est d’environ 104 V/W après amplification. Les matrices micro-bolométriques non refroidies utilisent une fine membrane métallique (en TiN par exemple) qui sert d’absorbant thermique couplé à un thermomètre en silicium amorphe suspendu dans l’air [Simoens et al., 2010]. Les micro-bolomètres à membrane fonctionnent à température ambiante mais le temps de réponse est de l’ordre de la di-zaine de millisecondes.
Les cellules de Golay : Les cellules de Golay utilisent une enceinte, fermée par deux membranes, contenant un gaz. La membrane face avant est métallisée par une fine couche et absorbe l’onde sub-THz ou THz incidente sur le détecteur. L’énergie absorbée est trans-mise au gaz qui se réchauffe et se dilate, provoquant la déformation de la membrane ar-rière de l’enceinte. La déformation de la membrane arar-rière est mesurée par un système de réflexion optique (la paroi possède une face métallisée servant de miroir déformable). Le temps de réponse est limité par la thermique du système et est de quelques dizaines de ms. Les cellules de Golay sont cependant larges bandes et le NEP est de l’ordre de 10−10 W/p
Hz. La réponse du détecteur est de l’ordre de 10−4à 10−5 V/W. Les cellules de Golay fonctionnent à température ambiante.
Photodétecteurs THz à puits quantiques : Les photodétecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP), développés initialement pour les systèmes d’imagerie thermique, sont très utilisés pour détecter les rayonnements dont la longueur d’onde se situe entre 5
1.3. Les détecteurs d’ondes sub-THz et THz
µm et 20 µm. Ces détecteurs extrinsèques unipolaires sont constitués d’électrodes métal-liques et d’une hétérostructure composée d’un nombre élevé de puits quantiques formés par l’alternance périodique d’un assemblage de couches semiconductrices. L’absorption des photons infrarouges permet aux électrons de réaliser une transition inter-sous-bande qui se traduit par la création d’un courant quand le dispositif est polarisé par une ten-sion continue (dc). La référence [Nga Chen et al., 2014] présente par exemple une struc-ture dont chaque période est formée par un assemblage en GaAs/Al0.25Ga0.75As dont les épaisseurs respectives sont de 6.5 nm et 20 nm. La transition inter-sous-bande
corres-FIGURE1.12 – Exemple de photodétecteur à puits quantiques THz en GaAs/Al0.25Ga0.75As. La fi-gure est issue de la référence [Palaferri et al., 2015]
pond alors à une longueur d’onde de 9µm, soit à une fréquence de 33 THz. Un réseau d’antennes "patch" permet de coupler la lumière sur le détecteur. De plus la structure est équivalente à une cavité résonante qui a pour effet d’améliorer le rapport entre le photo-courant et le photo-courant d’obscurité provenant de l’agitation thermique des électrons. Pour réduire le courant d’obscurité, les détecteurs sont refroidis à une température de 77 k. Les QWIP THz utilisent une transition inter-sous-bande de plus faible énergie. La référence [Palaferri et al., 2015] montre un système en GaAs/AlGaAs adapté à l’absorption de pho-tons dont la longueur d’onde est de 9µm, ce qui correspond à une onde de fréquence égale à 5 THz. Cette fois ci le détecteur doit être placé à une température inférieure à 20 K pour minimiser l’agitation thermique. De plus le caractère discret des transitions énergé-tiques ne permet pas d’obtenir de dispositifs larges bandes.