Interrupteur à électrodes symétriques

Les paramètres S des échantillons J ont été mesurés quelques minutes après le retrait de la résine de passivation (PMMA), afin de limiter l’exposition des couches à l’atmosphère ambiante. Le laser utilisé est un laser impulsionnel femtoseconde TOPTICA. Les paramètres ont été mesurés pour différentes puissances moyennes d’excitation à 1,55 µm, jusqu’à 50 mW. La puissance crête du laser à 50 mW est d’environ 4 MW. Chaque interrupteur J est comparé à son interrupteur étalon basé sur Si/SiO₂avec une longueur de discontinuité similaire. Ainsi, l’interrupteur J1 est associé à celui avec une discontinuité de 150 nm, J2 avec la discontinuité de 200 nm et J3 avec la discontinuité de 100 nm. Les interrupteurs ne sont pas associés à des lignes Thru de dimensions similaires, de ce fait la réduction de la ligne à sa seule discontinuité selon le modèle établi dans le Chapitre 4 n’est pas possible.

Pour chaque interrupteur, les pertes d’insertion et le retard de phase induit par la disconti-nuité sont mesurés dans l’état OFF et pour des puissances de laser moyennes de 20 mW et 50 mW dans l’état ON. La Figure 5.20 montre l’évolution de ces paramètres en fonction de

la fréquence pour l’interrupteur J3 dans l’état OFF et soumis à une excitation lumineuse de 50 mW. Les pertes sont fortement atténuées par l’excitation du bP, confirmant l’apparition d’une photoconductance dans celui-ci avec l’impulsion laser.

FIGURE 5.20 – (a) Pertes d’insertion en décibel (IL) et (b) retard de phase en degré (PD) en fonction de la fréquence en gigahertz pour l’interrupteur J3 dans l’état OFF et soumis à une excitation laser de puissance moyenne de 50 mW.

J1 J2 J3 Si-étalon (100 nm) f (GHz) 10 40 10 40 10 40 10 40 IL (dB) OFF 34,3 22,4 34,3 22,3 29,6 22,7 33,3 21,2 20 mW 34,2 22,4 29,5 22,5 29,5 22,7 33,2 21,4 50 mW 27,8 22,6 25,3 22,3 24 21,6 31 22 PD (°) OFF 78 40 77,5 38 61 13 80,3 38 20 mW 72,5 38 53 11,7 50 10 74,3 34,4 50 mW 28 3,2 15,4 -7 15 -12 42,5 21,4

TABLE 5.3 – Pertes d’insertion en décibel (IL) et retard de phase en degré (PD) pour chaque interrupteur (J1, J2, J3, Si-étalon avec une longueur de discontinuité de 100 nm) dans l’état OFF et avec une excitation laser de puissance moyenne de 20 mW et 50 mW dans l’état ON, pour différentes fréquences (5 GHz, 25 GHz, 60 GHz).

Afin de vérifier l’effet du bP sur le changement de transmission de l’interrupteur, les interrup-teurs étalons sans bP et basés sur le substrat de Si/SiO₂ ont été soumis à la même excitation

lumineuse. Les paramètres IL et PD pour chaque interrupteur (J1, J2, J3, et étalon) à dif-férentes puissances moyennes d’excitation et à difdif-férentes fréquences sont répertoriés dans le Tableau 5.3. Lorsque la puissance d’excitation augmente, la photorésistance générée dimi-nue, les pertes d’insertion diminuent aussi, et la phase se décale peu à peu vers la valeur d’une ligne de transmission sans discontinuité (0° à 0 GHz). La diminution des pertes d’insertion et le décalage de la phase vers 0° induite par l’illumination impulsionnelle dans le substrat étalon sont moins importantes que celles induites dans les interrupteurs avec bP.

FIGURE 5.21 – Évolution du rapport R_{ON/OF F} pour les interrupteurs J basés sur bP et pour les interrupteurs étalons correspondant basés sur Si/SiO2, pour une excitation lumineuse de puissance moyenne de 50 mW.

La Figure 5.21 montre l’amplitude du rapport R_{ON/OF F} obtenue pour les différents interrup-teurs basés sur bP + Si/SiO₂, ainsi que sur l’interrupteur étalon sur Si/SiO₂ de longueur de discontinuité L =150 nm (correspondant à J1), L =200 nm correspondant à J2 et L =100 nm correspondant à J3. Malgré la TPA générée dans le substrat, le rapport RON/OF F est claire-ment influencé par la couche de bP. Ainsi, pour l’échantillon J3, le gain de rapport RON/OF F

obtenu à 10 GHz entre le dispositif et son étalon et de 9 dB environ. 167

FIGURE5.22 – Évolution de la capacitance C_gde l’interrupteur J3 en fonction de la fréquence dans l’état OFF et soumis à une excitation impulsionnelle de puissance moyenne 50 mW.

Dispositif J1 J2 J3 Fréquence 10 40 10 40 10 40 C_g(fF) OFF 3,1 3,1 2,95 20 mW 3,4 4,8 5,6 4,9 5,5 4,8 50 mW 5,7 4,7 6,2 4,4 7,3 4,3

TABLE 5.4 – Capacitances mesurées (fF) pour les échantillons J dans l’état OFF et pour des puissances moyennes de 20 mW et 50 mW.

La capacitance des interrupteurs augmente avec la puissance moyenne d’illumination. La Figure 5.22 montre cette évolution en fonction de la fréquence pour l’interrupteur J3 dans l’état OFF et soumis à une illumination de puissance moyenne de 50 mW. La capacitance est mesurée dans l’état OFF selon l’Équation (5.4), ainsi que dans l’état ON selon l’Équation (5.13). La capacitance obtenue pour chaque dispositif est résumée dans le Tableau 5.4. La capacitance dans l’état OFF varie peu selon l’épaisseur de la couche et selon l’écart entre les électrodes. La capacitance augmente avec la puissance de l’illumination, traduisant l’aug-mentation de la permittivité relative effective du milieu avec l’illumination.

FIGURE5.23 – Évolution de la photoconductance de la couche de bP de l’interrupteur J3 en fonction de la fréquence et de la puissance moyenne de l’excitation du laser.

FIGURE 5.24 – Évolution de la photoconductance du bP G_gbP (mS) en fonction de la fré-quence (GHz) pour les trois couches de bp composants les interrupteurs J1, J2, et J3 excités avec une illumination de 50 mW.

En considérant la conductance totale (G_g) mesurée à partir de la partie réelle du paramètre 169

S21 comme la somme des conductances du bP (GgbP) et du silicium (GgSi), il est possible d’extraire celle du bP avec G_gbP = Ggtot − GgSi. La conductance totale pour les interrup-teurs et la conductance des étalons correspondant sur silicium sont calculées selon l’Équation (5.14). La simulation est précise jusqu’à 40 GHz. Lorsque la puissance du laser augmente, le nombre de porteurs photogénérés et ainsi la photoconductance augmente (Figure 5.23). Au dessus d’une certaine puissance moyenne, la photoconductance semble augmenter for-tement. Plus la couche est épaisse, plus l’absorbance est forte et plus la photoconductance est élevée (Figure 5.24). La photoconductance augmente linéairement avec l’épaisseur de la couche (Figure 5.25).

FIGURE 5.25 – Évolution de la photoconductance GgbP à 20 GHz des couches de bP des interrupteurs J1, J2 et J3 en fonction de l’épaisseur de la couche.

Les résultats obtenus ont fait l’objet d’une publication dans le Journal of Applied Physics [135].