Mat´ eriaux absorbants ` a 800 nm

En 1984, les premi`eres antennes photoconductrices ont ´et´e r´ealis´ees∶ elles op`erent dans un r´egime de l’ordre de la picoseconde. Il s’agissait d’antennes de type dipˆole Hertzien d´epos´ees sur des couches minces de silicium sur saphir d’une ´epaisseur de 1 μm [35]. Ayant ´etabli le principe d’´emission et de d´etection avec ce type d’antenne, les chercheurs se sont consacr´es `a trouver de nouveaux mat´eriaux photoconducteurs et `a optimiser la g´eom´etrie des antennes en vue d’accroˆıtre les performances de ces dispositifs. Un de ces mat´eriaux de choix pour la g´en´eration et la d´etection de radiation THz est le LT-GaAs. En effet, le champ ´electrique maximal pouvant ˆ

etre appliqu´e avant le claquage s’´el`eve `a plus de 500 kV/cm avec une r´esistivit´e de∼ 2 × 109Ω/◻, une mobilit´e des photoporteurs de l’ordre de ∼200 cm2V−1s−1 et un temps de vie de ces derniers sous la barre de la picoseconde [11]. Avec un montage typique de spectroscopie `a 800 nm (laser Ti∶Saphir centr´e `a ∼780nm, largeur `a mi-hauteur de 80 fs et taux de r´ep´etition de 82 MHz), il est possible d’utiliser ce mat´eriau comme ´emetteur et d´etecteur pour les ondes THz. En plus des caract´eristiques intrins`eques au LT-GaAs, les diff´erentes g´eom´etries d’antennes permettent

de s´electionner la bande de fr´equences et le profil d’´emission d´esir´es. La figure 2.1montre les antennes typiques utilis´ees comme ´emetteurs dans le domaine THz.

Figure 2.1 Les g´eom´etries d’antennes typiques avec les spectres THz respectifs, sur le mat´eriau LT-GaAs. L’antenne dipˆole avec la r´egion ´eclair´ee d´efinie comme la zone active, (a), l’antenne bow-tie, (b), et l’antenne coplanaire, (c) pr´esentent diff´erentes gammes de fr´equences accessibles. Figures tir´ees de [11].

Toutes les antennes pr´esent´ees `a la figure2.1sont activ´ees lorsque la r´egion inter-´electrodes est illumin´ee `a l’aide d’une impulsion laser. Dans certains cas, la position exacte du faisceau d’excitation peut avoir une incidence sur l’amplitude du champ. C’est notamment le cas lorsque le champ ´electrique local entre les ´electrodes m´etalliques de l’antenne n’est pas uniforme. La g´eom´etrie de l’antenne a ´egalement une influence sur le profil d’´emission et sur le contenu en fr´equences des impulsions THz ´emises. Il est possible d’adapter la g´eom´etrie d’une antenne `

a une application sp´ecifique qui a un besoin de basses ou de hautes fr´equences. Dans tous les cas, l’amplitude en basses fr´equences est limit´ee par le circuit ´electronique tandis que l’amplitude en hautes fr´equences est limit´ee par l’absorption des ondes THz par le substrat (e.g. la forte absorption par les phonons longitudinaux optiques `a 8 THz dans le GaAs). Sur la figure

2.1, en (a), l’antenne de type dipˆole, ou antenne H, permet d’avoir une ´emission large bande avec l’inconv´enient de n´ecessiter un alignement pr´ecis, de l’ordre du micron, du faisceau laser d’excitation. En (b), l’antenne bow-tie g´en`ere des impulsions THz plus larges ce qui privil´egie les basses fr´equences. L’amplitude du signal est de plusieurs ordres de grandeur plus importante `a

basse fr´equence comparativement `a l’antenne de type dipˆole. En (c), l’antenne de type coplanaire non-uniform´ement ´eclair´ee (configuration optimale due `a l’augmentation du champ local pr`es de l’anode) est beaucoup plus facile `a aligner comparativement aux autres g´eom´etries. Il est possible de varier la r´egion d’´eclairement pour couvrir toute la distance inter-´electrodes au d´etriment de la fluence laser qui varie en fonction de l’aire du faisceau laser sur l’antenne. De plus, comme le champ ´electrique est plus important proche des ´electrodes, il a ´et´e observ´e que l’´emission THz augmente lorsque le faisceau laser est focalis´e proche de l’anode [7,14,32]. Cette g´eom´etrie d’antenne est en mesure d’´emettre sur une large bande de fr´equences, la plus grande des trois types d’antennes de la figure2.1.

Avec une largeur de bande `a 20 dB qui va jusqu’`a 3 THz, l’antenne de type coplanaire sur LT-GaAs est un standard dans l’´emission de radiation THz `a 800 nm. La largeur de bande `a 20 dB est une figure de m´erite des antennes photoconductrices qui d´efinit le contenu spectral de chacune des antennes. La largeur de bande de 20 dB est d´efinie telle que la plage de fr´equence qui est au plus `a -20 dB de la puissance maximale radi´ee par l’antenne. L’analyse de la puissance de radiation ainsi que la relation du signal THz en fonction de la puissance laser permettent de mieux comprendre l’effet des g´eom´etries d’antennes. Il est donc possible de s´electionner la g´eom´etrie d’antenne ad´equate en fonction de la longueur d’onde recherch´ee. Pour une ´emission avec une emphase de radiation dans les basses fr´equences, l’antenne bow-tie est privil´egi´ee, tandis que pour une ´emission large bande les deux autres configurations sont plus ad´equates.

Pour obtenir une ´emission plus importante, il suffit, pour chacune des configurations d’an- tennes, d’augmenter soit le potentiel de biais sur les ´electrodes ou la puissance du faisceau laser incident. Cependant, pour des puissances laser ´elev´ees, en fonction de la r´egion active qui est ´

etroitement reli´ee `a la distance inter-´electrodes de l’antenne, l’amplitude du rayonnement THz sature. Cela est provoqu´e par un effet d’´ecrantage du champ ´electrique cr´e´e par la s´eparation des photoporteurs dans la r´egion ´eclair´ee. La figure 2.2montre le signal THz en fonction de la puissance laser pour diff´erentes g´eom´etries d’antennes. Les dimensions de gap des antennes sont de 5 μm, 10 μm et 80 μm pour l’antenne de type dipˆole, bow-tie et coplanaire, respectivement. `

A titre comparatif, une antenne de type dipˆole fabriqu´ee sur du SI-GaAs est aussi incluse. Dans le r´egime de basse puissance laser, le signal THz est lin´eaire en puissance. Les deux antennes dipˆole saturent `a des puissances relativement basses et l’antenne de SI-GaAs sature encore plus vite car la courbure est directement affect´ee par la mobilit´e des photoporteurs. Dans ce cas, une d´ecroissance de l’amplitude du champ THz `a plus forte fluence est la signature d’une diminution de mobilit´e caus´ee par un ´echauffement du dispositif. La saturation pour les deux autres g´eom´etries d’antennes se produit `a plus haute puissance. La courbe pleine repr´esente le mod`ele th´eorique du signal THz en fonction de la fluence laser F, qui est proportionnelle `a la

Figure 2.2 Saturation du signal THz en fonction de la puissance laser pour une antenne dipˆole (cercle), bow-tie (croix) et coplanaire (triangles). Une antennes dipˆole SI-GaAs moins r´esistive est aussi pr´esent´ee (carr´ee). La courbe noire est obtenue par simulation `a l’aide du mod`ele ph´enom´enologique d´ecrit par l’´equation2.1. Figure tir´ee de [11].

puissance laser. Le signal THz peut alors s’´ecrire comme∶ ETHz∝ F

F+ F0 (2.1)

avec F0, la fluence de saturation d´efinie en tant que la fluence optique n´ecessaire pour extraire la

moiti´e du champ THz maximum [36]. Cette derni`ere quantit´e est d´efinie telle que : F0= (1 + n)hν

e(1 − R)μZ0 (2.2)

avec n l’indice de r´efraction, hν l’´energie du photon incident, R le coefficient de r´eflectivit´e, μ la mobilit´e des porteurs et Z0 l’imp´edance du vide. Cette relation est d´evelopp´ee pour les

antennes dont la s´eparation inter-´electrodes est ´eclair´ee uniform´ement. Comme le champ THz est ´emis principalement durant la phase d’acc´el´eration initiale des photoporteurs (< 1ps), cette relation demeure valide dans le cas o`u la zone d’´ecrantage correspond `a la zone ´eclair´ee. Selon plusieurs exp´eriences, la validit´e de cette relation a ´et´e d´emontr´ee dans le r´egime des antennes `a faible ouverture, et ce mˆeme lorsque l’´eclairement est non uniforme. [11,12]. Il s’av`ere donc que l’antenne standard d’´emission, la plus versatile et la plus facile de manipulation, est l’antenne de type coplanaire sur LT-GaAs.

D’un point de vue de l’´emission, les antennes THz les plus communes sont des antennes avec une g´eom´etrie de type dipˆole. Les antennes THz `a ´electrodes interdigit´ees, illustr´ees `a la figure

2.4, sont aussi tr`es efficaces dans la conversion de photons infrarouge aux photons proche-THz (NIR-THz) pour maximiser l’´emission. L’antenne `a ´electrodes interdigit´ees pr´esente, dans les mˆemes conditions d’utilisation, une ´emission ∼400 fois plus grande que l’antenne dipˆole standard. La figure2.3(a) montre ce meilleur rendement de l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees. Ce qui est fascinant avec l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees est la conversion beaucoup plus efficace de photons que dans le cas d’une antenne standard. Pour une antenne dipˆole, la puissance laser qui contribue `a la g´en´eration de photoporteurs est donn´ee directement par la puissance du faisceau laser incident sur l’antenne. Contrairement `a cette derni`ere, pour une antenne `a ´

electrodes interdigit´ees, la puissance laser qui se rend au gap des ´electrodes n’est qu’une fraction de la puissance initiale incidente. `A titre d’exemple, l’amplitude du champ THz est 20 fois plus grand pour l’antenne interdigit´ee pour une puissance initiale de 790 mW et un diam`etre du faisceau laser de 300 μm, comparativement `a une antenne de type dipˆole avec une distance inter-´electrodes de 6 μm et une excitation laser de 7 mW. L’antenne de type dipˆole rentre dans le r´egime de saturation pour des puissances plus ´elev´ees. Les avantages d’utiliser une antenne `

a ´electrodes interdigit´ees proviennent d’une facilit´e d’alignement et d’une augmentation de la puissance d’´eclairement pour une mˆeme fluence laser (´energie par impulsion et par unit´e de surface). Un moyen de s’affranchir des probl`emes d’alignement dans le cas des antennes dipˆoles est tout simplement d’augmenter la distance inter-´electrodes ce qui donne lieu `a des antennes `a large ouverture.

(a) (b)

Figure 2.3 En (a), comparaison d’une antenne `a ´electrodes interdigit´ees (courbe rouge) avec une antenne dipˆole (courbe bleue) et en (b) avec une antenne large ouverture (courbe bleue). L’amplitude du champ THz est pr`es de 20 fois plus importante pour l’antenne `a ´

electrodes interdigit´ees que pour l’antenne dipˆole. Elle est aussi comparable `a l’antenne large ouverture avec un potentiel ´electrique qui est de deux ordres de grandeurs plus petit, 30 V comparativement `a 0.5 V. Figures tir´ees de [37].

L’antenne `a ´electrodes interdigit´ees a un avantage quant au champ ´electrique appliqu´e. Pour un mˆeme champ ´electrique et des antennes de dimensions similaires, il faut appliquer un voltage de deux ordres de grandeur plus grand `a l’antenne large ouverture. Par contre, un des inconv´enients de ce type d’antenne provient du fait qu’une partie de l’aire d’´eclairement est bloqu´ee par les contacts m´etalliques et la zone inutilis´ee du dispositif (r´egion o`u le champ ´electrique est invers´e). La figure 2.3(b) montre les spectres des deux g´eom´etries d’antennes soumises au mˆeme champ ´

electrique. ´Etonnement, lorsque l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees est recouverte aux trois quarts par les ´electrodes de m´etal, l’´emission est quasi-identique `a celle de l’antenne `a large ouverture. Ce r´esultat provient de la configuration de l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees qui est en mesure de recueillir plus de photoporteurs proche de l’anode [37]. Cet effet est donc dˆu `a une augmentation du champ local et la contribution du courant de diffusion provenant des diff´erentes mobilit´es des ´electrons et des trous. De plus, la dynamique de l’´ecrantage est tout autre dans ce type d’antenne. En effet, puisque les ´electrodes sont proches l’une de l’autre, les porteurs rejoignent rapidement les ´electrodes ce qui fait baisser le champ d’´ecrantage. La principale cause de saturation de ce type d’antenne n’est donc pas un ´ecrantage cr´e´e par les photoporteurs mais bien l’´ecrantage du champ THz lui-mˆeme.

La figure 2.4 montre la configuration de l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees. Cette figure pr´esente l’utilit´e de la deuxi`eme m´etallisation lors de la fabrication d’´electrodes interdigit´ees. En effet, sur la figure 2.4(a), le bas de l’antenne montre que le champ ´electrique produit par l’´electrode rouge pointe dans les deux directions. Cela est vrai pour tous les doigts de l’´electrode. En cachant une partie de l’´electrode par une deuxi`eme m´etallisation, comme dans le cas du haut de l’antenne de la figure 2.4(a) ou la figure 2.4(c), les photoporteurs qui sont acc´el´er´es n’ont qu’une direction pr´ef´erentielle, les champs rayonn´es par chacune de ces portions de l’antenne vont donc interf´erer constructivement. La r´egion active peut atteindre les mm2 afin de supporter la puissance laser qui peut s’´elever `a 1 W. Les doigts des ´electrodes pr´esent´es dans la figure 2.4

ont une largeur de 5μm et sont espac´es de 5 μm. L’excitation des photoporteurs pr`es de l’anode, le faible potentiel appliqu´e et le taux de conversion efficace font de cette g´eom´etrie d’antenne un bon choix dans le domaine de la spectroscopie THz `a 800 nm. En d´efinitive, le choix du LT-GaAs et du SI-GaAs comme mat´eriaux de pointe pour l’´emission THz est justifi´e par la mobilit´e des porteurs et la r´esistivit´e des mat´eriaux. De plus, les g´eom´etries d’antennes r´ev`elent qu’il existe des effets d’´ecrantage pouvant mener `a une ´eventuelle saturation de la radiation THz ainsi qu’une augmentation du champ local pr`es des ´electrodes qui est b´en´efique pour le courant transitoire.

Figure 2.4 L’antenne THz `a ´electrodes interdigit´ees sur GaAs. Les parties rouge et jaune repr´e- sentent les ´electrodes, les fl`eches repr´esentent le champ ´electrique appliqu´e et la partie verte repr´esente la deuxi`eme m´etallisation. La vue sch´ematis´ee du haut (a) et de cˆot´e (c) de l’antenne. En (b), un micrographe MEB de la structure pr´esente les grandeurs typiques de l’antenne `a ´electrodes interdigit´ees. Figures tir´ees de [37]. (top view∶ vue de haut, cross-section∶ vue lat´erale)