FR2980642A1 - SEMICONDUCTOR SUPER-NETWORK DEVICE OPERATING IN TERAHERTZ FREQUENCY DOMAIN - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une structure pour la génération, ou la génération et le traitement, de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz comprenant un super-réseau semiconducteur comprenant n puits de potentiel, séparés les uns des autres par une barrière, en une alternance périodique. La structure est soumise à un champ électrique statique dans le sens de l'empilement des couches, qui est suffisant pour que la vitesse moyenne des électrons diminue avec l'augmentation du champ. Le champ électrique produit dans le super-réseau une répartition discontinue de niveaux d'énergie électronique propres selon une échelle de Wannier-Stark avec un niveau d'énergie dit niveau de Wannier-Stark, confiné localisé sur chaque puits de potentiel, le super-réseau commençant du côté amont dans le sens de circulation des électrons par un premier puits. Il est prévu un moyen d'injection d'électrons, formant réservoir d'électrons, couplé au superréseau par une barrière de potentiel et présentant un niveau d'énergie propre qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark d'un ième puits du super-réseau situé au-delà du premier puits du super-réseau, par exemple le second puits, de sorte que le niveau d'énergie du réservoir d'électrons soit mis en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau de Wannier-Stark de ce ième puits du super-réseau.The invention relates to a structure for the generation or generation and processing of signals at frequencies in the terahertz range comprising a semiconductor super-network comprising n potential wells, separated from each other by a barrier, alternately periodic. The structure is subjected to a static electric field in the stacking direction of the layers, which is sufficient for the average electron velocity to decrease with increasing field strength. The electric field produces in the superlattice a discontinuous distribution of clean electron energy levels according to a Wannier-Stark scale with an energy level called Wannier-Stark level, confined located on each potential well, the super- network starting from the upstream side in the direction of circulation of electrons by a first well. There is provided electron injection means, forming an electron reservoir, coupled to the superlattice by a potential barrier and having a clean energy level which is substantially at the same height as the Wannier-Stark step. an ith well of the superlattice located beyond the first well of the superlattice, for example the second well, so that the energy level of the electron reservoir is resonated by resonant tunneling with the level of Wannier-Stark of this ith well of the super-network.
Description
DISPOSITIF A SUPER-RESEAU SEMICONDUCTEUR FONCTIONNANT DANS LE DOMAINE DE FREQUENCES TERAHERTZ DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les structures physiques fonctionnant sur les principes de la physique quantique, et plus précisément un dispositif à super-réseau semiconducteur pour la génération et le traitement de très hautes fréquences dans le domaine dit domaine térahertz. Ce domaine recouvre des fréquences pouvant aller d'environ 300 GHz à 10 THz, c'est-à-dire des longueurs d'onde allant typiquement de 30 micromètres au millimètre. Le domaine térahertz est un domaine intermédiaire entre le domaine de l'électronique et le domaine de l'optique en ce sens que les signaux sont à trop haute fréquence pour être traités par des moyens électroniques classiques et à trop basse fréquence pour être traités par des moyens optiques. Pourtant un besoin existe pour un traitement de signaux à ces fréquences, notamment pour des analyses spectroscopiques de matériaux qui présentent des pics d'absorption à de telles fréquences. Des substances présentes dans l'espace ou des substances biologiques et chimiques peuvent être analysées en utilisant ces propriétés d'absorption et de nombreuses applications sont envisageables dans le domaine de la mesure scientifique terrestre, atmosphérique et spatiale, ainsi que dans le domaine de l'inspection industrielle de matériaux, la détection de substances illicites, le diagnostic médical, etc. Pour faire un traitement de signaux à ces fréquences, on a en particulier besoin de produire ces signaux, et on a donc besoin de sources de signaux à de telles fréquences ; on s'intéressera plus spécialement dans ce qui suit à la réalisation de sources de fréquences qu'on appellera pour simplifier "sources térahertz", mais l'invention s'applique aussi au traitement de signaux à ces fréquences. CONTEXTE DE L'INVENTION Les pistes envisagées dans le passé pour produire des sources de signaux à de telles fréquences comprennent, si on se limite aux sources à semiconducteurs qui sont particulièrement propices à la miniaturisation : - la génération directe d'oscillations optiques par pompage de matériaux à très faible bande interdite ; mais les meilleurs matériaux trouvés ne permettent pas de descendre au-dessous de 15 térahertz ; - le mélange de faisceaux optiques cohérents monochromatiques dans un photoconducteur ou un photodétecteur en matériau non-linéaire ; - la génération d'harmoniques de signaux électroniques à fréquences millimétriques dans des systèmes non linéaires pour produire des fréquences submillimétriques ; - la production de résonances dans des circuits à diodes à effet tunnel résonant. Ces pistes sont limitées, pour certaines, par la faible puissance émise, pour d'autres par la complexité, l'encombrement ou le coût, ou encore par la nécessité d'un refroidissement à des températures cryogéniques, ou encore par l'obligation de fonctionner en régime impulsionnel transitoire et non en continu. On a proposé également des structures de lasers à cascade quantique qui reposent sur l'émission stimulée d'électrons entre des bandes d'énergie quantifiées dans des puits quantiques bi-dimensionnels d'une couche active sous champ où circule un courant d'électrons continu. Le mécanisme de la stimulation est optique et le fonctionnement est également à très basse température, un peu moins basse si le fonctionnement est exclusivement pulsé. Ces structures nécessitent une inversion optique de toute la couche active pour provoquer l'émission de photons, et de plus elles nécessitent l'utilisation de guides d'onde longs pour générer et extraire le signal à fréquence térahertz. RESUME DE L'INVENTION L'invention a pour but de réaliser une structure de génération ou de traitement de fréquences térahertz améliorée, qui repose sur l'utilisation de super-réseaux semiconducteurs périodiques soumis à un champ électrique statique dans une zone de fonctionnement (au-delà d'une certaine valeur de champ) où la vitesse des électrons, au lieu d'augmenter comme on s'y attendrait, diminue avec l'augmentation du champ électrique. FIELD OF THE INVENTION The invention relates to physical structures operating on the principles of quantum physics, and more specifically to a semiconductor super-array device for generation and processing. very high frequencies in the so-called terahertz domain. This range covers frequencies ranging from about 300 GHz to 10 THz, i.e., wavelengths typically ranging from 30 micrometers to millimeters. The terahertz domain is an intermediate domain between the field of electronics and the field of optics in that the signals are too high frequency to be processed by conventional electronic means and too low frequency to be processed by optical means. However, there is a need for signal processing at these frequencies, especially for spectroscopic analyzes of materials that exhibit absorption peaks at such frequencies. Substances present in space or biological and chemical substances can be analyzed using these absorption properties and many applications are possible in the field of terrestrial, atmospheric and spatial scientific measurement, as well as in the field of industrial inspection of materials, detection of illicit substances, medical diagnosis, etc. For signal processing at these frequencies, it is particularly necessary to produce these signals, and therefore signal sources at such frequencies are needed; we will focus more particularly in the following to the realization of frequency sources that will be called to simplify "terahertz sources", but the invention also applies to the processing of signals at these frequencies. BACKGROUND OF THE INVENTION The paths contemplated in the past to produce signal sources at such frequencies include, if limited to semiconductor sources which are particularly suitable for miniaturization: direct generation of optical oscillations by pumping of materials with very little bandgap; but the best materials found do not allow to fall below 15 terahertz; the mixing of monochromatic coherent optical beams in a photoconductor or a photodetector of non-linear material; - the generation of harmonics of millimeter-frequency electronic signals in nonlinear systems to produce submillimeter frequencies; the production of resonances in resonant tunnel diode circuits. These tracks are limited, for some, by the low power emitted, for others by the complexity, the size or the cost, or by the need for cooling at cryogenic temperatures, or by the obligation of operate in transient pulse mode and not continuous. Quantum cascade laser structures have also been proposed that rely on the stimulated emission of electrons between quantized energy bands in two-dimensional quantum wells of an active field layer in which a continuous electron current flows. . The mechanism of the stimulation is optical and the operation is also at very low temperature, a little lower if the operation is exclusively pulsed. These structures require an optical inversion of the entire active layer to cause the emission of photons, and moreover they require the use of long waveguides to generate and extract the terahertz frequency signal. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide an improved terahertz frequency generation or processing structure, which is based on the use of periodic semiconductor supergrids subjected to a static electric field in an operating zone (at beyond a certain field value) where the speed of the electrons, instead of increasing as one would expect, decreases with the increase of the electric field.
L'injection d'électrons dans cette structure est faite de manière électronique et non selon la technique connue mais faiblement efficace d'excitation optique impulsionnelle du super-réseau semiconducteur. Dans la zone de fonctionnement où la vitesse des électrons décroît avec le champ électrique, les super-réseaux peuvent présenter une conductance différentielle négative, favorable à la création d'oscillations de densités de charge électronique à très haute fréquence allant jusqu'au domaine térahertz et déclenchées par des bistabilités d'injection d'un courant électronique dans le super-réseau. La fréquence est liée au champ électrique appliqué. On a constaté que ces oscillations pouvaient être auto-entretenues, par une injection unipolaire purement électronique et non par injection optique, c'est-à-dire qu'on n'est pas obligé de fonctionner en mode impulsionnel transitoire, à la condition d'injecter (en amont) et d'extraire (en aval) les électrons d'une manière appropriée. The injection of electrons into this structure is done electronically and not according to the known but weakly effective technique of pulsed optical excitation of the super-semiconductor network. In the operating zone where the electron velocity decreases with the electric field, the super-arrays may have a negative differential conductance, favorable to the creation of oscillations of electronic charge densities at very high frequency up to the terahertz domain and triggered by injection bistabilities of an electronic current in the superlattice. The frequency is related to the applied electric field. It has been found that these oscillations can be self-sustaining, by a purely electronic unipolar injection and not by optical injection, that is to say that it is not necessary to operate in transient impulse mode, provided that inject (upstream) and extract (downstream) the electrons in an appropriate manner.
Le principe général est le suivant : on constitue un super-réseau semiconducteur par une alternance périodique d'au moins deux couches superposées, très minces, de deux matériaux semiconducteurs de bandes interdites différentes et de mailles adaptées, en relation épitaxiale. Les épaisseurs des deux couches sont généralement différentes et le super- réseau est périodique, c'est-à-dire que les épaisseurs sont les mêmes dans toute la série d'alternances, à la précision près des techniques de fabrication et de mesure et sans exclure d'introduire quelques ajustements d'épaisseur des couches de bord pour compenser des effets de bord altérant le bon positionnement des niveaux d'énergie électroniques indiqué ci-dessous. The general principle is as follows: a semiconductor super-lattice is constituted by periodic alternation of at least two superimposed, very thin layers of two semiconductor materials of different forbidden bands and of adapted meshes, in epitaxial relation. The thicknesses of the two layers are generally different and the superlattice is periodic, that is to say that the thicknesses are the same throughout the series of alternations, to the accuracy of the manufacturing and measuring techniques and without exclude the introduction of some thickness adjustments of the edge layers to compensate for edge effects affecting the proper positioning of the electronic energy levels shown below.
Typiquement, les deux matériaux sont de l'arséniure de gallium (GaAs) et de l'arséniure de gallium-aluminium (AlxGai_xAs), les porteurs de charge des électrons de la bande de conduction. L'invention ne se limite pas à ces matériaux et des porteurs de charge de la bande de conduction. D'autres matériaux sont envisageables et dans certains matériaux (par exemple SiGe), des porteurs de charge d'autres bandes que la bande de conduction. Dans ce qui suit, l'invention est décrite dans le cas de porteurs de la bande de conduction. Cette alternance de couches engendre une alternance régulière de puits de potentiel (constitués par la couche ayant le niveau d'énergie le plus faible en bas de la bande de conduction) et de barrières de potentiel (constituées par la couche ayant le niveau d'énergie le plus élevé en bas de la bande de conduction). Avec les matériaux GaAs et AlxGai_xAs où x=15% par exemple, la différence de ces niveaux est d'environ 120 meV, le niveau bas étant celui de GaAs. Dans ce qui suit, on définira la constitution d'une structure par une succession de barrières de potentiel et de puits de potentiel, étant entendu qu'il s'agit d'un langage simplificateur désignant en réalité une succession de couches physiques de matériaux ayant, dans les conditions de champ électrique auxquelles ils sont soumis, des niveaux d'énergie de bande de conduction plus bas lorsqu'il s'agit de puits (couches de GaAs par exemple) et plus hauts lorsqu'il s'agit de barrières encadrant ce puits. La théorie montre que lorsqu'on applique à un super-réseau un champ électrique statique dans le sens de l'empilement des couches, pour des valeurs convenables des épaisseurs de puits et de barrière, il se crée une répartition discontinue de niveaux d'énergie électronique propres selon un profil appelé "échelle de Wannier-Stark" avec un niveau d'énergie confiné localisé et centré sur chaque puits de potentiel. On notera que d'autres niveaux d'énergie peuvent exister mais, constituant des voies de conduction parasites, le super-réseau sera de préférence conçu pour éviter de les introduire dans l'intervalle d'énergies entre le fond et le haut du puits. Les niveaux d'énergie de Wannier-Stark localisés par le champ électrique sont distribués régulièrement de puits à puits et descendent par échelons réguliers depuis un côté qu'on appellera côté amont jusqu'à un côté qu'on appellera côté aval. Le côté amont et le côté aval sont déterminés par le sens d'application du champ électrique, les électrons circulant du côté amont vers le côté aval. La hauteur des échelons est liée au champ électrique appliqué. Elle s'exprime en énergie et est caractérisée, du fait de l'équivalence énergie-fréquence donnée par la constante de Planck, par une fréquence dite "fréquence de Bloch". Cette fréquence est approximativement la fréquence de coupure de la conductance différentielle négative du super-réseau. C'est aussi approximativement la fréquence centrale de fonctionnement du dispositif. Elle peut être très élevée. Pour une hauteur d'échelon de 10 meV par exemple, la fréquence est de l'ordre de 2,5 THz. Typically, the two materials are gallium arsenide (GaAs) and gallium aluminum arsenide (AlxGai_xAs), the charge carriers of the electrons of the conduction band. The invention is not limited to these materials and charge carriers of the conduction band. Other materials are possible and in some materials (eg SiGe), charge carriers of other bands than the conduction band. In what follows, the invention is described in the case of carriers of the conduction band. This alternation of layers generates a regular alternation of potential wells (constituted by the layer having the lowest energy level at the bottom of the conduction band) and potential barriers (constituted by the layer having the energy level the highest at the bottom of the conduction band). With the materials GaAs and AlxGai_xAs where x = 15% for example, the difference of these levels is about 120 meV, the low level being that of GaAs. In what follows, the constitution of a structure will be defined by a succession of potential barriers and potential wells, it being understood that this is a simplifying language actually designating a succession of physical layers of materials having under the electric field conditions to which they are subjected, lower conduction band energy levels when it comes to wells (GaAs layers for example) and higher when it comes to gates this well. The theory shows that when a static electric field is applied to a superlattice in the stacking direction of the layers, for suitable values of the well and barrier thicknesses, a discontinuous distribution of energy levels is created. electronics according to a profile called "Wannier-Stark scale" with a localized confined energy level centered on each potential well. It should be noted that other energy levels may exist but, constituting parasitic conduction paths, the superlattice will preferably be designed to avoid introducing them into the energy range between the bottom and the top of the well. The Wannier-Stark energy levels localized by the electric field are regularly distributed from well to well and descend in regular steps from a side that will be called upstream side to a side that will be called downstream side. The upstream side and the downstream side are determined by the direction of application of the electric field, the electrons flowing from the upstream side to the downstream side. The height of the rungs is related to the applied electric field. It is expressed in energy and is characterized, because of the energy-frequency equivalence given by the Planck constant, by a frequency called "Bloch frequency". This frequency is approximately the cutoff frequency of the negative differential conductance of the superlattice. It is also approximately the central operating frequency of the device. It can be very high. For a step height of 10 meV for example, the frequency is of the order of 2.5 THz.
Enfin, il faut préciser qu'on considère qu'il y a une possibilité de transfert d'électrons par effet de résonance tunnel si deux niveaux d'énergie propres dans deux puits de potentiel couplés sont sensiblement au même niveau, alors que ces puits sont séparés par une ou même plusieurs barrières de potentiel. En effet cette égalité de niveaux d'énergie engendre une forte probabilité de passage d'un électron entre deux puits par effet tunnel à travers une ou plusieurs barrières de potentiel. Selon l'invention, on prévoit en amont du super-réseau, considéré comme commençant par une première couche formant un premier puits de potentiel, un moyen d'injection d'électrons, c'est-à-dire un réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par une barrière de potentiel et présentant un niveau d'énergie propre qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark d'un ième puits du super-réseau situé au-delà du premier puits du super-réseau ; le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau de Wannier-Stark de ce ième puits. Les électrons peuvent passer du moyen d'injection vers ce puits du super-réseau sans être bloqués dans le premier puits. Le ième puits du super-réseau est de préférence le deuxième puits. Finally, it should be noted that it is considered that there is a possibility of electron transfer by tunnel resonance effect if two levels of clean energy in two coupled potential wells are substantially at the same level, whereas these wells are separated by one or even several potential barriers. Indeed this equality of energy levels generates a high probability of passage of an electron between two wells by tunneling through one or more potential barriers. According to the invention, there is provided upstream of the superlattice, considered to start with a first layer forming a first potential well, an electron injection means, that is to say an electron reservoir, coupled to the superlattice by a potential barrier and having a clean energy level that is substantially at the same height as the Wannier-Stark step of an ith well of the superlattice located beyond the first well of the super-network; the energy level of the electron reservoir is then resonant by resonant tunnel effect with the Wannier-Stark level of this ith well. The electrons can pass from the injection means to this well of the superlattice without being blocked in the first well. The ith well of the superlattice is preferably the second well.
L'injection d'électrons dans le super-réseau se fait alors doublement : - d'une part sur le niveau de Wannier-Stark du premier puits avec un couplage assez fort dû à la présence d'une seule barrière de potentiel étroite, entre le premier puits et le réservoir d'électrons, mais hors 25 résonance, - d'autre part sur le niveau de Wannier-Stark du deuxième puits, avec un couplage plus faible puisqu'il y a deux barrières de potentiel, mais au voisinage de la résonance donc avec une plus grande efficacité de transfert. 30 Cela permet d'injecter de manière cohérente des populations d'électrons du même ordre de grandeur dans différents puits du super-réseau. La structure de l'invention favorise ainsi l'apparition de plusieurs états statiques stables d'injection d'un courant dans le super-réseau et évite la nécessité d'une excitation optique impulsionnelle de ces puits. 35 On notera que l'injection de charges dans les puits a un effet sur le mécanisme d'injection lui-même. En effet, les variations locales de densité de charges injectées dans les puits modifient les potentiels électroniques et rétroagissent sur les niveaux quantiques d'énergie que peuvent prendre les électrons. Le caractère plus ou moins résonant de l'injection dépend donc de l'injection elle-même, ce qui favorise l'apparition de plusieurs états statiques stables de répartition de la densité de charge et du potentiel dans les puits du super-réseau, lorsque l'injection est suffisante. Ces états statiques, en réalité métastables dans leur environnement, participent à l'apparition d'oscillations dans certains domaines de fréquence dépendant de l'environnement électromagnétique du composant et celles-ci sont entretenues par l'application du champ électrique statique aux bornes de la structure. De telles oscillations résultant de transferts de charges entre les états limites que sont les états statiques métastables, elles peuvent constituer des sources de rayonnement et de signaux électromagnétiques jusqu'au voisinage de la fréquence de Bloch, et donc des sources térahertz. Le moyen d'injection sera en principe formé par un puits de potentiel suivi d'une barrière de potentiel, en amont du premier puits du super-réseau. Pour des compositions comparables des matériaux utilisés pour les puits d'injection et de super-réseau, il comportera en général au moins un niveau d'énergie propre plus proche du fonds du puits que les niveaux de Wannier-Stark formés dans les puits du super-réseau. Dans un mode de réalisation simple où les puits de la structure sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines ou identiques, ce puits d'injection est plus large que les puits du super-réseau. Pour extraire les électrons en aval du super-réseau, on prévoit un moyen d'extraction qui comprend une couche formant barrière de potentiel en aval du dernier puits du super-réseau et un puits d'extraction suivant cette barrière ; ce puits d'extraction présente un niveau d'énergie propre sensiblement à la même hauteur que le niveau de Wannier-Stark du dernier puits du super-réseau (donc plus loin du fond du puits que les niveaux de Wannier-Stark dans les puits du super-réseau si tous les puits sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions comparables). The injection of electrons into the superlattice is then doubly: on the one hand on the Wannier-Stark level of the first well with a rather strong coupling due to the presence of a single narrow potential barrier, between the first well and the electron reservoir, but off resonance, - on the other hand on the Wannier-Stark level of the second well, with a lower coupling since there are two potential barriers, but in the vicinity of resonance, therefore, with greater transfer efficiency. This allows coherent injection of electron populations of the same order of magnitude into different wells of the superlattice. The structure of the invention thus promotes the appearance of several stable static states of injection of a current in the superlattice and avoids the need for an impulse optical excitation of these wells. It will be appreciated that the injection of charges into the wells has an effect on the injection mechanism itself. In fact, the local variations in the density of charges injected into the wells modify the electronic potentials and retroact on the quantum energy levels that the electrons can take. The more or less resonant nature of the injection therefore depends on the injection itself, which favors the appearance of several stable static states of distribution of the charge density and the potential in the wells of the superlattice, when the injection is sufficient. These static states, actually metastable in their environment, participate in the appearance of oscillations in certain frequency domains depending on the electromagnetic environment of the component and these are maintained by the application of the static electric field across the structure. Such oscillations resulting from charge transfers between the limit states that are metastable static states, they can constitute sources of radiation and electromagnetic signals up to the vicinity of the frequency of Bloch, and therefore terahertz sources. The injection means will in principle be formed by a potential well followed by a potential barrier, upstream of the first well of the superlattice. For comparable compositions of the materials used for injection and super-grid wells, it will generally have at least one level of clean energy closer to the bottom of the well than the Wannier-Stark levels formed in the super wells. -network. In a simple embodiment where the wells of the structure are made using materials of similar or similar compositions, this injection well is wider than the wells of the superlattice. To extract the electrons downstream of the superlattice, extraction means is provided which comprises a potential barrier layer downstream of the last well of the superlattice and an extraction well following this barrier; this extraction well has a level of clean energy substantially at the same height as the Wannier-Stark level of the last well of the super-grid (thus further from the bottom of the well than the Wannier-Stark levels in the wells of the superlattice if all wells are made using materials of comparable composition).
Le réservoir d'électrons est alimenté directement ou indirectement par une région d'entrée dopée de type N. Le plus simple, dans le cas d'une alimentation directe, est de prévoir une région fortement dopée de type N+, suivie d'une région moins dopée de type N, et suivie ensuite d'une barrière de potentiel et du puits d'injection formant le réservoir d'électrons. Les couches formant puits peuvent éventuellement être faiblement dopées de type N. De la même manière, le moyen d'extraction alimente directement ou indirectement une région de sortie dopée de type N qui peut être constituée, après la barrière de potentiel fermant le puits d'extraction, d'une région dopée de type N suivie d'une région fortement dopée de type N+. Ces deux régions d'entrée et de sortie de type N constituent l'entrée et la sortie par lesquelles on applique le champ électrique statique auquel doit être soumis le super-réseau pour constituer l'échelle de Wannier- Stark et entre lesquelles circule le courant. Dans une réalisation particulièrement intéressante, on utilise une répétition de plusieurs super-réseaux en cascade, et seul le premier super-réseau est alimenté directement par une région de type N. Les autres sont alimentés indirectement, c'est-à-dire chacun par le super-réseau immédiatement précédent. Dans une telle configuration de super-réseaux répétitifs séparés les uns des autres par des moyens d'injection et des moyens d'extraction, on s'arrange pour que le moyen d'injection ou réservoir d'électrons d'un super-réseau situé en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau situé immédiatement en amont. Un seul puits de potentiel sert alors de puits d'extraction et de puits d'injection. Ce puits de potentiel extracteur-injecteur est alors caractérisé par deux niveaux d'énergie propre différents, l'un étant plus haut et servant pour l'extraction, l'autre étant plus bas et servant pour l'injection. Les électrons sont en effet extraits d'un niveau de Wannier-Stark d'un dernier puits d'un super-réseau amont vers le niveau haut du puits extracteur/injecteur ; de là ils tombent au niveau bas de ce puits ; puis, ils sont injectés par effet tunnel résonant par exemple dans le deuxième puits d'un super-réseau aval. Il est préférable alors que les deux niveaux d'énergie du puits extracteur-injecteur soient séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal. De cette manière, les électrons qui passent du niveau haut au niveau bas effectuent une transition très rapide, non radiative. Pour effectuer l'ajustement de la valeur de cette différence de niveaux dans le puits extracteur/injecteur, on peut diviser ce puits en au moins deux couches séparées par une couche barrière intercalaire très étroite et ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits qui l'encadrent. L'épaisseur totale du super-réseau doit être contrôlée pour permettre l'entretien des oscillations de Bloch : l'épaisseur doit être inférieure ou égale à la vitesse moyenne des électrons dans le super-réseau (fonction du champ électrique appliqué) divisée par la fréquence de Bloch (fonction de la hauteur des échelons de l'échelle de Wannier-Stark). Cela permet que la fréquence de coupure liée à la résonance de transit (au temps de transit) des électrons dans le super-réseau ne devienne pas sensiblement inférieure à la fréquence de Bloch. Si ce n'était pas le cas le fort amortissement qui se produit au-delà de la fréquence égale à l'inverse du temps de transit des électrons dans le super-réseau défavoriserait fortement l'établissement d'un régime d'oscillations entretenues. Enfin, pour que les oscillations de densité de charge électronique qui se produisent dans le ou les super-réseaux puissent être converties en une radiation à fréquence térahertz émise dans l'espace libre, on prévoit de préférence que la structure oscillante est placée au coeur d'une antenne active de type « microstrip » (technologie microruban), appelée encore antenne patch, d'impédance adaptée autant que possible à la structure oscillante à super-réseau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une structure de base conforme à l'invention ; - la figure 2 représente un diagramme de bandes de conduction de la partie centrale de la superposition de couches de la figure 1 ; - la figure 3 représente un diagramme de bandes de conduction 35 de cette partie centrale dans le cas d'une périodisation du motif, où les moyens d'extraction servent aussi de moyens d'injection pour un super-réseau situé en aval ; - la figure 4 représente un exemple de diagramme pour une structure à répétition de super-réseaux identiques dont la composition détaillée en termes d'épaisseurs, de pourcentage d'aluminium, et de dopage N est donnée ; - la figure 5 représente une structure d'antenne active patch intégrant une structure à super-réseau(x) selon l'invention, dans une configuration d'adaptation d'impédance par tronçon de ligne ouvert au bout ; - la figure 6 représente une structure d'antenne active patch intégrant une structure à super-réseau(x) selon l'invention, dans une configuration d'adaptation d'impédance par tronçon de ligne court-circuité au bout. The electron reservoir is fed directly or indirectly by an N type doped input region. The simplest, in the case of a direct supply, is to provide a heavily doped N + type region, followed by a region less doped N type, and then followed by a potential barrier and the injection well forming the electron reservoir. The well layers may optionally be N-type lightly doped. In the same way, the extraction means directly or indirectly supplies an N-type doped output region which may be formed after the potential barrier closing the well. extraction, an N-type doped region followed by a strongly doped N + type region. These two N-type input and output regions constitute the input and the output by which the static electric field to which the superlattice must be subjected to constitute the Wannier-Stark scale and between which the current flows . In a particularly interesting embodiment, a repetition of several super-networks in cascade is used, and only the first super-network is fed directly by an N-type region. The others are supplied indirectly, that is to say each by the immediately preceding super network. In such a configuration of repetitive super-networks separated from each other by injection means and extraction means, it is arranged that the injection means or electron reservoir of a super-network located downstream at the same time constitutes the means for extracting the super-network located immediately upstream. A single potential well then serves as extraction wells and injection wells. This extractor-injector potential well is then characterized by two different levels of clean energy, one being higher and serving for extraction, the other being lower and serving for injection. The electrons are indeed extracted from a Wannier-Stark level of a last well of an upstream super-network to the high level of the extractor / injector well; from there they fall to the bottom level of this well; then, they are injected by resonant tunnel effect for example into the second well of a downstream super-network. It is preferable then that the two energy levels of the extractor-injector well are separated by a value which is the energy of a longitudinal optical phonon. In this way, the electrons that go from the high level to the low level make a very fast, non-radiative transition. To make the adjustment of the value of this difference in levels in the extractor / injector well, this well can be divided into at least two layers separated by a very narrow intermediate barrier layer and having a conduction band bottom level different from that of the layers of wells that frame it. The total thickness of the superlattice must be controlled to allow maintenance of Bloch oscillations: the thickness must be less than or equal to the average velocity of the electrons in the superlattice (function of the applied electric field) divided by the Bloch frequency (function of the height of the steps of the Wannier-Stark scale). This allows the cutoff frequency related to the transit (transit) resonance of the electrons in the superlattice to not become substantially less than the Bloch frequency. If this were not the case the strong damping that occurs beyond the frequency equal to the inverse of the transit time of the electrons in the super-array would strongly disadvantage the establishment of a regime of sustained oscillations. Finally, for the electron charge density oscillations that occur in the superlattice (s) to be converted into terahertz frequency radiation emitted in the free space, it is preferably provided that the oscillating structure is placed in the center of the space. an active microstrip antenna (microstrip technology), also called a patch antenna, impedance matched as much as possible to the oscillating super-lattice structure. Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows and which is made with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows a basic structure according to the invention; FIG. 2 represents a conduction band diagram of the central part of the layer superposition of FIG. 1; FIG. 3 represents a conduction band diagram of this central part in the case of a periodization of the pattern, where the extraction means also serve as injection means for a downstream super-network; FIG. 4 represents an exemplary diagram for a repeating structure of identical superlattices whose detailed composition in terms of thicknesses, percentage of aluminum, and N doping is given; FIG. 5 represents an active patch antenna structure integrating a super-network structure (x) according to the invention, in an impedance matching configuration by an open line section at the end; FIG. 6 represents an active patch antenna structure integrating a super-lattice structure (x) according to the invention, in an impedance matching configuration by a short-circuit line section at the end.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 illustre un exemple de structure de génération et/ou de traitement de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'invention. Elle comprend une alternance de couches d'un premier matériau semiconducteur, et d'un second matériau semiconducteur, où le premier matériau semiconducteur a un niveau d'énergie plus faible en bas de la bande de conduction que le second matériau semiconducteur. Dans l'exemple illustré, le premier matériau semiconducteur est GaAs, et le second, AlxGai,As. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'utilisation de ces deux matériaux semiconducteurs particuliers pour former la structure de l'invention. La structure comprend principalement un ensemble de couches minces encadré de part et d'autre par des couches épaisses, pour la prise de contact. Il faut comprendre par couche mince, une couche d'épaisseur inférieure à une dizaine de nanomètres, sans que cette valeur qui dépend des matériaux considérés constitue une limite stricte, et par couche épaisse, une couche de quelques dizaines de nanomètres. L'ensemble de couches minces forme un super réseau 30, avec au-dessus (en amont, c'est-à-dire dans une région de potentiel plus négatif), un injecteur d'électrons 40, et en dessous (en aval, c'est-à-dire dans une région de potentiel plus positif), un extracteur d'électrons 20. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 illustrates an exemplary structure for generating and / or processing signals at frequencies in the terahertz domain according to the invention. It comprises alternating layers of a first semiconductor material, and a second semiconductor material, wherein the first semiconductor material has a lower energy level at the bottom of the conduction band than the second semiconductor material. In the illustrated example, the first semiconductor material is GaAs, and the second, AlxGai, As. Of course, the invention is not limited to the use of these two particular semiconductor materials to form the structure of the invention. The structure mainly comprises a set of thin layers framed on both sides by thick layers, for making contact. It is necessary to understand by thin layer, a layer of thickness less than about ten nanometers, without this value which depends on the materials considered constitutes a strict limit, and by thick layer, a layer of a few tens of nanometers. The set of thin layers forms a super network 30, with above (upstream, that is to say in a region of more negative potential), an electron injector 40, and below (downstream, that is to say in a region of more positive potential), an electron extractor 20.
Plus précisément, la croissance épitaxiale de la structure représentée sur la figure 1 peut indifféremment commencer par les couches de contact aval ou par les couches de contact amont. La structure donnée en exemple comprend dans l'ordre de succession des différentes couches de semiconducteur indiqué ci-dessous de l'aval vers l'amont: -une couche 11 de GaAs, épaisse, fortement dopée N+, servant à la prise contact; -une couche 12 de GaAs, épaisse, dopée N, servant de couche de dopage de transition ; -une couche 21 de AIGaAs, mince, qui forme une première barrière de l'extracteur d'électrons 20 ; -une couche 22 de GaAs qui forme un puits de l'extracteur 20 ; -une couche 23 de AlGaAs qui forme une deuxième barrière de l'extracteur 20 ; -une alternance périodique de couches GaAs (couches 31, 33, 35, 37, 39) et de AlGaAs (couches 32, 34, 36, 38) formant le super-réseau 30, où les couches GaAs formant les puits du super-réseau ont toutes la même épaisseur a, et les couches AlGaAs formant les barrières du super-réseau ont toutes la même épaisseur b différente de l'épaisseur a des couches GaAs. -une couche 41 de AlGaAs, mince, qui forme une première barrière de l'injecteur d'électrons 40 ; -une couche 42 de GaAs qui forme un puits de l'injecteur 40 ; -une couche 43 de AlGaAs qui forme une deuxième barrière de l'injecteur 40 ; -une couche 51 de GaAs, épaisse, dopée N, servant de couche de dopage de transition ; -une couche 52 de GaAs, épaisse, fortement dopée N+, servant à la prise contact. More precisely, the epitaxial growth of the structure shown in FIG. 1 can indifferently begin with the downstream contact layers or with the upstream contact layers. The structure given as an example comprises in the order of succession of the various semiconductor layers indicated below from downstream to upstream: a layer 11 of GaAs, thick, strongly doped N +, used for making contact; a layer 12 of GaAs, thick, N-doped, serving as a transition doping layer; a thin layer 21 of AIGaAs, which forms a first barrier of the electron extractor 20; a layer 22 of GaAs which forms a well of the extractor 20; a layer 23 of AlGaAs which forms a second barrier of the extractor 20; periodic alternation of layers GaAs (layers 31, 33, 35, 37, 39) and AlGaAs (layers 32, 34, 36, 38) forming the superlattice 30, where the GaAs layers forming the wells of the superlattice all have the same thickness a, and the AlGaAs layers forming the super-lattice barriers all have the same thickness b different from the GaAs layer thickness. a thin layer 41 of AlGaAs, which forms a first barrier of the electron injector 40; a layer 42 of GaAs which forms a well of the injector 40; a layer 43 of AlGaAs which forms a second barrier of the injector 40; a layer 51 of GaAs, thick, N-doped, serving as a transition doping layer; a layer 52 of GaAs, thick, strongly doped N +, used for making contact.
Dans cette structure la composition des couches AlGaAs est identique. Par exemple on a x=15% , ce qui s'écrit : A10,15Ga0,85As. Dans l'exemple, seules les couches GaAs de contact et de dopage intermédiaire sont dopées. In this structure, the composition of the AlGaAs layers is identical. For example, we have x = 15%, which is written as: A10.15Ga0.85As. In the example, only the GaAs contact layers and intermediate doping are doped.
Ce dopage (typiquement du silicium) des couches GaAs peut être uniforme. Dans un exemple de réalisation, pour les couches GaAs de contact 11 et 52, qui doivent avoir un fort dopage pour être faiblement résistives, car elles servent de prise de contact, la valeur du dopage N+ peut être égale à 2.1018 cm-3 ; et pour les couches 12 et 51, la valeur du dopage N peut être de 1.1017 cm-3. Au lieu d'être massif, le dopage peut être graduel, le dopage variant progressivement sur l'épaisseur de la couche. Par exemple la couche GaAs 11 peut être graduellement dopée depuis la valeur N+ jusqu'à la valeur N. Les couches minces GaAs formant les puits de la structure, c'est à dire les couches 22, 31, 33, 35, 37, 39 et 42 dans l'exemple, peuvent éventuellement être faiblement dopées N ; en pratique ces couches formant puits ne seront dopées que sur quelques monocouches moléculaires, par exemple sur 3 couches, soit environ 1 nm, dopées à 5.1016 cm-3. Cela équivaut à un dopage du super-réseau de quelques 1015 CM-3. Dans cet exemple, le super-réseau semi-conducteur 30 comprend n=5 alternances périodiques de puits de potentiel et de barrières de potentiel, et l'injecteur et l'extracteur sont formés chacun par 3 couches formant, sur le même principe que le super-réseau, une couche centrale formant un puits de potentiel encadré par deux couches barrières. Dans l'exemple illustré qui correspond à un mode de réalisation où les puits de la structure sont tous fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines (c'est-à-dire avec des valeurs de x différentes mais proches), ou identiques, le puits de l'injecteur est plus large en épaisseur que les puits du super-réseau. L'invention ne se limite pas à une telle réalisation. Le puits de l'injecteur peut être fabriqué avec un matériau de composition différente (par exemple avec du AlGaAs avec respectivement x=0% et x=5% pour le puits de l'injecteur et les puits du super-réseau). Le puits de l'injecteur pourra alors être plus étroit que ceux du super-réseau. Lorsque l'on soumet cette structure de la figure 1 à un champ électrique statique F, dans le sens de l'empilement des couches, par un moyen de polarisation statique purement électrique via les couches de contact 11 et 52, il se crée dans chaque puits de potentiel du super-réseau 30 un niveau d'énergie localisé par le champ électrique. Ces niveaux d'énergie localisés sont distribués régulièrement de puits à puits et descendent par échelons réguliers depuis un côté amont, jusqu'à un côté aval du super-réseau. Le côté amont et le côté aval sont déterminés par le sens d'application du champ électrique F, les électrons circulant du côté amont vers le côté aval. La hauteur des échelons est liée au champ électrique F appliqué. Elle est égale à hvB, où h est la constante de Planck et vB la fréquence de Bloch. On a hvB .e.F.d, avec e la charge de l'électron, et d la périodicité du super-réseau. This doping (typically silicon) of the GaAs layers can be uniform. In an exemplary embodiment, for GaAs contact layers 11 and 52, which must have a high doping to be weakly resistive because they serve as a contact, the value of N + doping may be equal to 2.1018 cm-3; and for the layers 12 and 51, the value of the N-doping may be 1.1017 cm-3. Instead of being massive, the doping can be gradual, the doping gradually varying on the thickness of the layer. For example, the GaAs layer 11 may be gradually doped from the value N + to the value N. The GaAs thin layers forming the wells of the structure, ie the layers 22, 31, 33, 35, 37, 39 and 42 in the example, may possibly be weakly doped N; in practice, these well layers will be doped only on a few molecular monolayers, for example on 3 layers, ie approximately 1 nm, doped at 5 × 10 16 cm-3. This equates to a doping of the super-network of some 1015 CM-3. In this example, the semiconductor superlattice 30 comprises n = 5 periodic alternations of potential wells and potential barriers, and the injector and the extractor are each formed by 3 layers forming, on the same principle as the super-network, a central layer forming a potential well framed by two barrier layers. In the illustrated example which corresponds to an embodiment where the wells of the structure are all manufactured using materials of similar compositions (that is to say with values of x different but close), or identical, the Well of the injector is wider in thickness than the wells of the super-grid. The invention is not limited to such an embodiment. The well of the injector may be manufactured with a material of different composition (for example with AlGaAs with respectively x = 0% and x = 5% for the well of the injector and the wells of the superlattice). The well of the injector can then be narrower than those of the super-network. When this structure of FIG. 1 is subjected to a static electric field F, in the direction of the stacking of the layers, by a purely electric static polarization means via the contact layers 11 and 52, it is created in each potential well of the super-grid 30 a level of energy located by the electric field. These localized energy levels are routinely distributed from well to well and down regular steps from an upstream side to a downstream side of the superlattice. The upstream side and the downstream side are determined by the direction of application of the electric field F, the electrons flowing from the upstream side to the downstream side. The height of the rungs is related to the applied electric field F. It is equal to hvB, where h is the Planck constant and vB is the Bloch frequency. We have hvB .e.F.d, with e the charge of the electron, and the periodicity of the superlattice.
Ces échelons sont représentés schématiquement sur la figure 2 qui représente le diagramme de bandes de conduction de la superposition de couches minces formant l'injecteur, le super-réseau et l'extracteur, de la structure de la figure 1. On trouve sur cette figure l'alternance des barrières et des puits de potentiel, avec, de gauche à droite, l'alternance barrière/puits/barrière de l'injecteur 40, les 5 alternances puits/barrière du super-réseau 30, et l'alternance barrière/puits/barrière de l'extracteur 20. En réalité la dernière barrière du super-réseau est "fondue" avec la barrière suivante de l'extracteur. Considérant que le super-réseau commence par la couche 39 formant un puits de potentiel, en appliquant un champ électrique statique F dans le sens du bas de l'empilement vers le haut de l'empilement, on obtient les 5 échelons de Wannier-Stark représentés sur la figure 2, notés WS1 à WS5, où WS1 est l'échelon le plus haut, localisé et centré sur le premier puits 39 du super-réseau et WS5, l'échelon le plus bas, localisé et centré sur le dernier puits 31 du super-réseau. Le puits 42 de l'injecteur 40 se trouve ainsi en amont du super-réseau, et forme un moyen d'injection d'électrons, c'est-à-dire un réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par la barrière de potentiel 41. Ce puits 42 présente un niveau d'énergie propre L, qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark WS2 du deuxième puits 37 du super- réseau ; le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau d'énergie de l'échelon WannierStark WS2 du deuxième puits. Les électrons peuvent passer du moyen d'injection vers le deuxième puits du super-réseau sans être bloqués dans le premier puits. These steps are shown diagrammatically in FIG. 2 which represents the conduction band diagram of the superposition of thin layers forming the injector, the superlattice and the extractor, of the structure of FIG. the alternation of the barriers and the potential wells, with, from left to right, the alternating barrier / well / barrier of the injector 40, the 5 alternations wells / barrier of the super-network 30, and the alternance barrier / well / barrier of the extractor 20. In reality the last barrier of the super-network is "melted" with the next barrier of the extractor. Considering that the superlattice begins with the layer 39 forming a potential well, by applying a static electric field F in the bottom direction of the stack up the stack, we obtain the 5 steps of Wannier-Stark represented in FIG. 2, denoted WS1 to WS5, where WS1 is the highest rung, located and centered on the first well 39 of the superlattice and WS5, the lowest rung located and centered on the last well 31 of the super-network. The well 42 of the injector 40 is thus upstream of the superlattice, and forms an electron injection means, that is to say an electron reservoir, coupled to the superlattice by the barrier. This well 42 has a clean energy level L, which is substantially at the same height as the Wannier-Stark WS2 step of the second well 37 of the superlattice; the energy level of the electron reservoir is then in resonant tunneling resonance with the energy level of the WannierStark WS2 step of the second well. The electrons can pass from the injection means to the second well of the superlattice without being blocked in the first well.
L'injection d'électrons dans le super-réseau se fait alors doublement : - d'une part sur le niveau de Wannier-Stark WS1 du premier puits 39 avec un couplage assez fort dû à la présence d'une seule barrière de potentiel étroite, de largeur w,, entre le premier puits 39 du super-réseau et le réservoir d'électrons 42 mais hors résonance, - d'autre part sur le niveau de Wannier-Stark WS2 du deuxième puits 37, avec un couplage plus faible, mais au voisinage de la résonance donc avec une plus grande efficacité de transfert. Le couplage est plus faible puisqu'il y a deux barrières de potentiel : la barrière 41 entre l'injecteur et le premier puits du super-réseau, et la barrière 38 entre le premier puits et le deuxième puits du super-réseau. La structure de l'invention permet ainsi d'injecter de manière cohérente des populations d'électrons du même ordre de grandeur dans différents puits du super-réseau. Elle favorise ainsi l'apparition de plusieurs états statiques stables d'injection d'un courant dans le super-réseau et évite la nécessité d'une excitation optique impulsionnelle de ces puits. On notera par ailleurs que l'injection de charges dans les puits a un effet sur le mécanisme d'injection lui-même. En effet, les variations locales de densité de charges injectées dans les puits modifient les potentiels électroniques et rétroagissent sur les niveaux quantiques d'énergie que peuvent prendre les électrons. Le caractère plus ou moins résonant de l'injection dépend donc de l'injection elle-même, ce qui favorise l'apparition de plusieurs états statiques stables de répartition de la densité de charge et du potentiel dans les puits du super-réseau, lorsque l'injection est suffisante. Ces états statiques, en réalité métastables dans leur environnement, participent à l'apparition d'oscillations dans certains domaines de fréquence dépendant de l'environnement électromagnétique du composant et celles-ci sont entretenues par l'application du champ électrique statique aux bornes de la structure. De telles oscillations résultant de transferts de charges entre les états limites que sont les états statiques métastables, elles peuvent constituer des sources de rayonnement et de signaux électromagnétiques jusqu'au voisinage de la fréquence de Bloch vB, et donc des sources térahertz. The injection of electrons into the superlattice is then doubly: on the one hand on the Wannier-Stark WS1 level of the first well 39 with a rather strong coupling due to the presence of a single narrow potential barrier , of width w ,, between the first well 39 of the superlattice and the electron reservoir 42 but out of resonance, - on the other hand on the Wannier-Stark WS2 level of the second well 37, with a lower coupling, but in the vicinity of resonance, therefore with greater transfer efficiency. The coupling is weaker since there are two potential barriers: the barrier 41 between the injector and the first well of the superlattice, and the barrier 38 between the first well and the second well of the superlattice. The structure of the invention thus makes it possible to inject electron populations of the same order of magnitude coherently into different wells of the superlattice. It thus promotes the appearance of several stable static states of injection of a current in the superlattice and avoids the need for an impulse optical excitation of these wells. It should also be noted that the injection of charges into the wells has an effect on the injection mechanism itself. In fact, the local variations in the density of charges injected into the wells modify the electronic potentials and retroact on the quantum energy levels that the electrons can take. The more or less resonant nature of the injection therefore depends on the injection itself, which favors the appearance of several stable static states of distribution of the charge density and the potential in the wells of the superlattice, when the injection is sufficient. These static states, actually metastable in their environment, participate in the appearance of oscillations in certain frequency domains depending on the electromagnetic environment of the component and these are maintained by the application of the static electric field across the structure. Such oscillations resulting from charge transfers between the limit states that are metastable static states, they can constitute sources of radiation and electromagnetic signals up to the vicinity of the frequency of Bloch vB, and therefore terahertz sources.
La structure de l'invention et le mécanisme d'injection des électrons qui viennent d'être expliqués en relation avec les figures 1 et 2 ne se limitent pas à l'exemple illustré. En particulier, et de manière plus générale, le puits 42 de l'injecteur 40 doit présenter un niveau d'énergie propre L, qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de Wannier-Stark WS2 d'un puits du super-réseau au-delà du premier puits. Le niveau d'énergie du réservoir d'électrons est alors en résonance par effet tunnel résonant avec le niveau d'énergie de l'échelon Wannier-Stark de ce puits du super-réseau, qui est au-delà du premier puits. En aval du super-réseau 30, l'extracteur 20 permet d'extraire les électrons. Il comprend une barrière 23 en aval du dernier puits 31 du super-réseau suivi d'un puits d'extraction 22. Le puits d'extraction 22 présente un niveau d'énergie propre Le situé sensiblement à la même hauteur que le niveau d'énergie de l'échelon de Wannier-Stark WS5 du dernier puits 31 du super-réseau. Ce niveau Le est donc bien plus loin du fond du puits que les niveaux de Wannier Stark dans les puits du super-réseau sur les figures où tous les puits sont fabriqués en utilisant le même matériau GaAs. L'extraction des électrons se fait ainsi sur le niveau d'énergie Le du puits d'extraction à travers la barrière 23, de largeur we, et au voisinage de la résonance donc avec une grande efficacité d'extraction. En pratique, le réservoir d'électrons est alimenté directement ou indirectement par une région d'entrée dopée de type N. Dans l'exemple de la figure 1, la couche 52 forme une région fortement dopée permettant une alimentation directe. Dans ce cas, le plus simple est de prévoir une région moins dopée de type N entre la région fortement dopée et l'injecteur 40. Dans l'exemple de la figure 1, cette région moins dopée est réalisée par la couche 51, entre la couche 52 et la couche barrière 43 de l'injecteur 40. De la même manière, le moyen d'extraction alimente directement ou indirectement une région de sortie dopée de type N qui peut être constituée, après la barrière de potentiel fermant le puits d'extraction, d'une région dopée de type N suivie d'une région fortement dopée de type N+. Ce sont les couches respectivement 12 et 11 de la structure de la figure 1. Les deux régions d'entrée 52 et de sortie 11 de type N constituent les régions de contact par lesquelles on applique le champ électrique statique F auquel doit être soumis le super-réseau pour constituer l'échelle de Wannier-Stark et entre lesquelles circule le courant. Elles sont reliées électriquement à un circuit de polarisation continue grâce à un dépôt de métal sur chacune d'elles (zones hachurées sur la figure 1). The structure of the invention and the electron injection mechanism which has just been explained in relation with FIGS. 1 and 2 are not limited to the example illustrated. In particular, and more generally, the well 42 of the injector 40 must have a clean energy level L, which is substantially at the same height as the Wannier-Stark WS2 step of a super-well. network beyond the first well. The energy level of the electron reservoir is then in resonant tunneling resonance with the energy level of the Wannier-Stark echelon of this well of the superlattice, which is beyond the first well. Downstream of the superlattice 30, the extractor 20 makes it possible to extract the electrons. It comprises a barrier 23 downstream of the last well 31 of the superlattice followed by an extraction well 22. The extraction well 22 has a clean energy level Le located substantially at the same height as the level of energy. energy of the Wannier-Stark WS5 echelon of the last well 31 of the super-network. This level is therefore much further from the bottom of the well than the Wannier Stark levels in the super-array wells in the figures where all the wells are made using the same GaAs material. The extraction of the electrons is thus done on the energy level Le of the extraction well through the barrier 23, we width, and in the vicinity of the resonance so with a high extraction efficiency. In practice, the electron reservoir is supplied directly or indirectly by an N-type doped input region. In the example of FIG. 1, the layer 52 forms a highly doped region allowing a direct supply. In this case, the simplest is to provide a less doped N-type region between the highly doped region and the injector 40. In the example of FIG. 1, this less doped region is produced by the layer 51, between the layer 52 and the barrier layer 43 of the injector 40. In the same manner, the extraction means directly or indirectly supplies an N-type doped output region which can be constituted after the potential barrier closing the well of extraction, an N-type doped region followed by a strongly doped N + type region. These are the layers 12 and 11, respectively, of the structure of FIG. 1. The two N-type input and output regions 11 and 11 constitute the contact regions through which the static electric field F to which the superposition is to be subjected is applied. -net to constitute the scale of Wannier-Stark and between which circulates the current. They are electrically connected to a continuous bias circuit by metal deposition on each of them (hatched areas in Figure 1).
Une réalisation particulièrement intéressante de l'invention comprend une répétition du motif injecteur/super-réseau/extracteur. Une structure correspondante comprendra alors plusieurs super-réseaux en cascade séparés entre eux par des moyens d'injection et des moyens d'extraction. Le premier super-réseau de cette cascade est alimenté directement par une région de type N. Les autres le sont indirectement, c'est- à-dire chacun par le sous-réseau qui le précède. Dans une telle configuration, on s'arrange pour que le moyen d'injection ou réservoir d'électrons d'un super-réseau en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau situé immédiatement en amont : un seul puits sert alors de puits d'extraction et de puits d'injection. Il comprend deux niveaux d'énergie propre, un niveau d'énergie L, plus proche du fond du puits, et qui est sensiblement du même niveau d'énergie que le niveau de Wannier Stark d'un puits au-delà du premier puits de ce super-réseau; et un niveau d'énergie Le plus éloigné du fond du puits, qui est sensiblement du même niveau d'énergie que le niveau de Wannier Stark du dernier puits du super-réseau situé immédiatement en amont. Les électrons sont ainsi extraits du dernier puits du super-réseau amont, vers le niveau haut Le du puits extracteur/injecteur. De là ils tombent au niveau bas de ce puits ; ils sont ensuite injectés par effet tunnel résonnant par exemple dans le deuxième puits d'un super-réseau aval. La figure 3 représente le diagramme de bandes de conduction de la même partie centrale que la figure 2, mais où le super-réseau est couplé à un moyen d'injection/extraction en amont et en aval. Les mêmes références ont donc été conservées pour les éléments communs à ces deux figures. A particularly advantageous embodiment of the invention comprises a repetition of the injector / super-network / extractor pattern. A corresponding structure will then comprise several cascaded superlattices separated from each other by injection means and extraction means. The first superlattice of this cascade is supplied directly by a region of type N. The others are indirectly, that is to say each by the sub-network which precedes it. In such a configuration, it is arranged that the injection means or electron reservoir of a downstream super-network is at the same time the extraction means of the super-network located immediately upstream: a single well then serves as extraction wells and injection wells. It includes two levels of clean energy, a L energy level, closer to the bottom of the well, and that is substantially of the same energy level as the Wannier Stark level of a well beyond the first well. this super-network; and an energy level farthest from the bottom of the well, which is substantially of the same energy level as the Wannier Stark level of the last super-array well located immediately upstream. The electrons are thus extracted from the last well of the upstream super-network, towards the high level Le of the extractor / injector well. From there they fall to the bottom level of this well; they are then injected by resonant tunneling effect for example into the second well of a downstream superlattice. FIG. 3 represents the conduction band diagram of the same central portion as FIG. 2, but in which the superlattice is coupled to an injection / extraction means upstream and downstream. The same references have thus been preserved for the elements common to these two figures.
Dans le cas d'une telle répétition de super-réseaux, on s'arrange pour que les deux niveaux d'énergie Le et L, de chaque puits extracteur/injecteur soient séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal, égal à hvLo (h constante de Planck). De cette manière, les électrons qui passent du niveau haut au niveau bas effectuent une transition très rapide, non radiative. L'énergie E correspondant à la chute de potentiel sur chaque motif répété (puits d'injection/super-réseau/puits d'extraction), est égale à : E=hvw +(n-2)hvB +Ô, +Ô, Pour effectuer l'ajustement de la valeur de cette différence de niveaux (Le-L, ) dans le puits extracteur/injecteur, on peut diviser le puits de chaque moyen d'extraction/injection en deux (ou plusieurs) couches séparées par une (ou plusieurs) couche(s) barrière intercalaire(s) très étroite(s) et ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits. Si on prend l'exemple d'une unique couche intercalaire très étroite séparant le puits extracteur/injecteur initial en deux parties, si les couches barrières de la structure comprennent un pourcentage d'aluminium de 15% (A10,15Ga0,85As), cette couche intercalaire très étroite peut avoir une composition en aluminium de 7 à 15%, éventuellement davantage, et être sept ou huit fois plus étroite que les puits qui l'encadrent. Les caractéristiques d'une telle couche intercalaire unique permettent de régler finement l'écart entre les deux niveaux d'énergie Le et L, du puits d'extraction/injection lorsqu'elle est placée au voisinage de la position centrale dans le puits initial. In the case of such a repetition of super-networks, it is arranged for the two energy levels Le and L, of each extractor / injector well to be separated by a value which is the energy of a phonon longitudinal optic, equal to hvLo (Planck's constant). In this way, the electrons that go from the high level to the low level make a very fast, non-radiative transition. The energy E corresponding to the potential drop on each repeated pattern (injection well / superlattice / extraction well), is equal to: E = hvw + (n-2) hvB + Ô, + Ô, To adjust the value of this difference in levels (Le-L,) in the extractor / injector well, the well of each extraction / injection means can be divided into two (or more) layers separated by one ( or more) very narrow barrier layer (s) and having a lower conduction band level than that of the well layers. If one takes the example of a single very narrow interlayer separating the extraction well / initial injector into two parts, if the barrier layers of the structure comprise a percentage of aluminum of 15% (A 10 15 Ga 0.85 As), this very narrow interlayer can have an aluminum composition of 7 to 15%, possibly more, and be seven or eight times narrower than the wells that surround it. The characteristics of such a single interlayer make it possible to finely adjust the difference between the two energy levels Le and L, of the extraction / injection well when it is placed in the vicinity of the central position in the initial well.
Par exemple, une structure correspondante comprendra, comme illustré sur la figure 4 (à lire de gauche à droite), un premier extracteur/injecteur E/11 en amont d'un premier super-réseau SR1, suivi d'un extracteur/injecteur E/12, suivi d'un deuxième super-réseau SR2.... La structure peut se poursuivre ainsi par répétition du motif super-réseau- extracteur/injecteur. En amont et en aval de cette séquence, on retrouvera une région de contact respective, dopée de type N. On pourra prévoir un dernier puits extracteur entre le dernier super-réseau d'aval et la région de contact aval. On peut suivre sur la figure 4, l'allure générale des niveaux de potentiel des puits et des barrières qui résultent de cette structure. A titre d'exemple, les motifs et compositions de couches des différents éléments de cette structure périodique pourront être les suivants, avec pour chaque élément, les différentes couches constitutives d'aval en amont, et pour chaque couche : le matériau et sa composition, l'épaisseur de couche, en Angstrôms (1 nm=10À), et le cas échéant, la concentration en impuretés de dopage N (silicium). On a ainsi : Pour le contact Aval: couche de contact aval : GaAs - 2000 - 2.1018/cm3 couche intercalaire: GaAs - 500 - 1.1017/cm3 Pour chaque élément extracteur/injecteur (éléments I/E2 et I/Ei sur la figure 4): barrière (aval): Al15Ga85As - 16 (w,) - puits (200-2 et 100-2): GaAs - 62 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière étroite (200-b et 100-b): Al15Ga96As - 9 - puits (200-1 et 100-1): GaAs - 82 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière (amont): Al15Ga85As - 60 (we)- Pour chaque super-réseau (SR2 et SRI sur la figure 4) : puits : GaAs - 68 (a) - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches 25 barrière : puits : barrière : puits : barrière : puits : barrière : puits : Ali5Ga85As - 33 (b) - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018/cm3 sur 3 monocouches Pour le contact Amont: couche intercalaire : GaAs - 500 - 5.1017/cm3 couche de contact amont: GaAs - 5000 - 5.1018/cm3 30 Une structure selon l'invention peut ainsi être par exemple constituée en empilant ces différents motifs, avec une alternance périodique des motifs de puits extracteur/injecteur et de super-réseau, entre les contacts aval et amont. Dans une variante entre le contact aval et le dernier super- 35 réseau de la structure (avec la convention que le premier super-réseau de la structure est le premier trouvé en partant de l'amont), on réalise un puits d'extraction, c'est-à-dire un puits qui n'est pas aussi un puits d'injection. Dans la structure qui vient d'être décrite à titre d'exemple, la périodicité d=a+b du motif des super-réseaux est égale à 101À (68+33) soit 10,1nm, et le nombre n de périodes est égal à 5, soit une épaisseur de super-réseau égale à eSR=n.d=505Â, soit 50,5 nm, et une épaisseur de chaque extracteur/injecteur de 229Â, soit 22,9 nm. Le diagramme représenté sur la figure 4, met en évidence le niveau de potentiel intermédiaire dans les puits 100 et 200 des éléments extracteurs/injecteurs, qui résulte de la barrière étroite respectivement 100-b et 200-b séparant chacun de ces puits en deux parties (100-1, 100-2 et 2001, 200-2). Dans une telle structure selon l'invention, les résonances d'injection et d'extraction sont suffisamment efficaces pour dépasser le seuil de bistabilité d'injection et atteindre l'établissement d'un régime de bistabilité d'injection (bistabilité d'injection au second voisin dans l'exemple) susceptible d'exciter l'oscillation de Bloch dans le super-réseau 30. Ces résonances d'injection et d'extraction apparaissent comme des paires de niveaux : la paire (L,, WS2) pour l'injection et la paire (Le, WS5) pour l'extraction. Ces paires sont caractérisées par les énergies de couplage, respectivement 8,=(L,-WS2)rnin et 8e=(WS5-Le)min égales à la séparation minimale entre les niveaux d'énergie lorsque le champ électrique F varie. Ces énergies de couplage 8, et .3e sont gouvernées par les épaisseurs de barrière w, et we et doivent être comparables aux largeurs des niveaux de Wannier-Stark. Par exemple, dans la structure décrite précédemment, 8,=6meV et 6e=3meV. En outre la position du niveau bas L, dans le puits d'injection 42 dépend principalement de son épaisseur w. w, w, et we sont ainsi des paramètres de caractérisation déterminants de la structure de l'invention. L'épaisseur w détermine la précision des mises en résonance des niveaux d'énergie en fonction du champ électrique F, et ainsi la fréquence centrale de fonctionnement et la plage d'accordabilité lorsque le champ varie. Les épaisseurs w, et we déterminent l'efficacité de l'injection et de l'extraction et influencent aussi l'accordabilité. For example, a corresponding structure will comprise, as illustrated in FIG. 4 (to read from left to right), a first extractor / injector E / 11 upstream of a first superlattice SR1, followed by an extractor / injector E / 12, followed by a second super-network SR2 .... The structure can continue thus by repeating the pattern super-network-extractor / injector. Upstream and downstream of this sequence, there will be a respective n-type doped contact region. A last extraction well may be provided between the last downstream super-network and the downstream contact region. FIG. 4 shows the general shape of the potential levels of the wells and barriers that result from this structure. By way of example, the patterns and layer compositions of the various elements of this periodic structure may be as follows, with for each element, the different constituent layers downstream upstream, and for each layer: the material and its composition, the layer thickness, in Angstroms (1 nm = 10λ), and if appropriate, the concentration of N (silicon) doping impurities. It is thus: For the downstream contact: downstream contact layer: GaAs - 2000 - 2.1018 / cm3 interlayer: GaAs - 500 - 1.1017 / cm3 For each extractor / injector element (elements I / E2 and I / Ei in FIG. ): (downstream) barrier: Al15Ga85As - 16 (w,) - well (200-2 and 100-2): GaAs - 62 - 5.1016 / cm3 on 3 narrow barrier monolayers (200-b and 100-b): Al15Ga96As - Wells (200-1 and 100-1): GaAs - 82 - 5.1016 / cm3 over 3 barrier monolayers (upstream): Al15Ga85As - 60 (we) - For each superlattice (SR2 and SRI in Figure 4): well: GaAs - 68 (a) - 5.1018 / cm3 on 3 monolayers barrier: well: barrier: well: barrier: well: barrier: well: Ali5Ga85As - 33 (b) - GaAs - 68 - 5.1018 / cm3 on 3 monolayers Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018 / cm3 on 3 monolayers Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018 / cm3 on 3 monolayers Ali5Ga85As - 33 - GaAs - 68 - 5.1018 / cm3 on 3 monolayers For contact Upstream: intermediate layer: GaAs - 500 - 5.1017 / cm3 contact layer t upstream: GaAs - 5000 - 5.1018 / cm3 A structure according to the invention can thus for example be constituted by stacking these different patterns, with periodic alternation of extractor / injector well and super-network well patterns, between the downstream contacts. and upstream. In a variant between the downstream contact and the last superlattice of the structure (with the convention that the first superlattice of the structure is the first one found from the upstream), an extraction well is produced, that is to say a well which is not also a well of injection. In the structure that has just been described by way of example, the periodicity d = a + b of the pattern of the superlattices is equal to 101λ (68 + 33) or 10.1 nm, and the number n of periods is equal to at 5, a super-array thickness equal to eSR = nd = 505, ie 50.5 nm, and a thickness of each extractor / injector of 229, ie 22.9 nm. The diagram shown in FIG. 4 shows the level of intermediate potential in the wells 100 and 200 of the extractor / injectors elements, which results from the narrow barrier 100-b and 200-b, respectively, separating each of these wells into two parts. (100-1, 100-2 and 2001, 200-2). In such a structure according to the invention, the injection and extraction resonances are sufficiently effective to exceed the injection bistability threshold and reach the establishment of an injection bistability regime (injection bistability at second neighbor in the example) likely to excite the oscillation of Bloch in the superlattice 30. These resonances of injection and extraction appear as pairs of levels: the pair (L ,, WS2) for the injection and the pair (Le, WS5) for extraction. These pairs are characterized by the coupling energies, respectively 8, = (L, -WS2) min and 8e = (WS5-Le) min equal to the minimum separation between the energy levels when the electric field F varies. These coupling energies 8, and .3e are governed by the barrier thicknesses w, and we and must be comparable to the widths of the Wannier-Stark levels. For example, in the structure described above, 8 = 6meV and 6e = 3meV. In addition, the position of the low level L, in the injection well 42 depends mainly on its thickness w. w, w, and we are thus defining characterization parameters of the structure of the invention. The thickness w determines the resonance accuracy of the energy levels as a function of the electric field F, and thus the central operating frequency and the tunability range when the field varies. The thicknesses w, and we determine the efficiency of the injection and the extraction and also influence the tunability.
Pour la conception du motif de super-réseau, les épaisseurs de couches du super-réseau seront en pratique choisies de telle sorte que la largeur de la première minibande du super-réseau soit plus grande que la séparation entre les niveaux de Wannier-Stark pour éviter des transferts d'électrons vers des niveaux d'énergie parasites n'appartenant pas à l'échelle de Wannier-Stark utile. L'épaisseur totale eSR=n.d du motif du super-réseau, égale à 50,5 nm dans l'exemple de structure précédemment décrite, doit être contrôlée pour permettre l'entretien des oscillations de Bloch : l'épaisseur doit être inférieure ou égale à la vitesse moyenne V des électrons dans le super- réseau (V est fonction du champ électrique F appliqué) divisée par la fréquence de Bloch vB (fonction de la hauteur des échelons de l'échelle de Wannier-Stark; la hauteur des échelons s'écrit en effet : h.vB=e.F.d, où h est la constante de Planck e la charge de l'électron et d la périodicité du super-réseau). Cela permet que la fréquence de coupure liée à la résonance de transit qui est de l'ordre de 1 /T, où T=eSR/V est le temps de transit des électrons dans le super-réseau, ne devienne pas sensiblement inférieure à la fréquence de Bloch vB. Si ce n'était pas le cas le fort amortissement qui se produit au-delà de la fréquence égale à l'inverse du temps de transit des électrons dans le 20 super-réseau défavoriserait fortement l'établissement d'un régime d'oscillations entretenues. Un autre temps caractéristique du super-réseau est le temps t de relaxation de la cohérence du transport. Le champ critique Fc au-delà duquel la vitesse moyenne V des électrons diminue lorsque le champ électrique F 25 augmente est donné par e.d.Fc=h/(27u). C'est aussi un champ au-delà duquel les niveaux de Wannier-Stark du super-réseau sont bien individualisés. En pratique, le rapport PT du temps de transit au temps de relaxation doit rester inférieur à environ an. 30 Enfin, pour que les oscillations de densité de charge électronique qui se produisent dans le ou les super-réseaux puissent être converties en une radiation à fréquence térahertz émise dans l'espace libre, on prévoit de préférence que la structure oscillante est placée au coeur d'une antenne active de type microstrip, appelée encore antenne patch, d'impédance 35 adaptée autant que possible à la structure oscillante à super-réseau. En pratique, l'antenne sera connectée au circuit de polarisation continue de la structure. Ce circuit pourra faire varier le champ électrique (F) et la fréquence de fonctionnement au voisinage de la fréquence centrale d'émission/réception de l'antenne. For the design of the superlattice pattern, the layer thicknesses of the superlattice will in practice be chosen such that the width of the first bandwidth of the superlattice is greater than the separation between the Wannier-Stark levels for avoid electron transfers to parasitic energy levels not belonging to the useful Wannier-Stark scale. The total thickness eSR = nd of the pattern of the superlattice, equal to 50.5 nm in the structure example previously described, must be controlled to allow the maintenance of Bloch oscillations: the thickness must be less than or equal to at the average velocity V of the electrons in the superlattice (V is a function of the applied electric field F) divided by the frequency of Bloch vB (function of the height of the steps of the Wannier-Stark scale; writes: h.vB = eFd, where h is Planck's constant e the charge of the electron and the periodicity of the superlattice). This allows the cutoff frequency related to the transit resonance which is of the order of 1 / T, where T = eSR / V is the transit time of the electrons in the superlattice, does not become substantially less than the Bloch vB frequency. If this were not the case, the strong damping that occurs beyond the frequency equal to the inverse of the transit time of the electrons in the superlattice would greatly disadvantage the establishment of a regime of sustained oscillations. . Another characteristic time of the superlattice is the relaxation time t of the coherence of the transport. The critical field Fc beyond which the average velocity V of the electrons decreases as the electric field F increases is given by e.d.Fc = h / (27u). It is also a field beyond which the Wannier-Stark levels of the super-network are well individualized. In practice, the ratio PT of the transit time to the relaxation time must remain less than about one year. Finally, for the electronic charge density oscillations that occur in the superlattice (s) to be converted into terahertz frequency radiation emitted into the free space, it is preferably provided that the oscillating structure is placed in the center. a microstrip-type active antenna, also called patch antenna, impedance 35 adapted as much as possible to the oscillating super-lattice structure. In practice, the antenna will be connected to the continuous bias circuit of the structure. This circuit may vary the electric field (F) and the operating frequency in the vicinity of the central transmission / reception frequency of the antenna.
Deux variantes de réalisation d'une telle antenne sont illustrées sur les figures 5 et 6. La figure 5 illustre l'intégration d'une structure SSL selon l'invention dans une antenne patch A avec un tronçon d'adaptation quart d'onde wsxi4 ouvert au bout. Two variant embodiments of such an antenna are illustrated in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 illustrates the integration of an SSL structure according to the invention in a patch antenna A with a wsxi4 quarter-wave adaptation section. open at the end.
Plus précisément, la structure SSL source de fréquence térahertz est intégrée dans une cavité diélectrique, par exemple une cavité de benzocyclobutène CBCB, prise en sandwich entre deux couches métalliques M1 et M2, typiquement en or. La couche de métal en dessous (M2) sert de plan de masse pour la masse électrique et pour les ondes térahertz. More precisely, the SSL terahertz frequency source structure is integrated in a dielectric cavity, for example a benzocyclobutene CBCB cavity, sandwiched between two metal layers M1 and M2, typically made of gold. The metal layer below (M2) serves as the ground plane for the electric mass and for the terahertz waves.
L'épaisseur de la structure définit l'épaisseur de la cavité. La couche de métal supérieure, c'est-à-dire le patch, sert d'antenne émettrice de rayonnement, en même temps qu'elle est reliée électriquement au circuit de polarisation continue. Ce dernier, également relié à la masse, fournit ainsi la polarisation continue à la structure SSL intégrée entre le patch (couche M1) et le plan de masse (couche M2) de l'antenne, qui se fondent à l'endroit de la structure SSL avec les deux couches métalliques représentées sur la figure 1. Le patch peut être aussi bien de forme rectangulaire, comme illustré, que de forme ronde. Ses dimensions définissent la fréquence de résonance. Si on regarde l'aspect adaptation d'impédance, il faut considérer la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance de la structure SSL. S'agissant de la partie réelle, on placera la structure SSL dans la cavité à un emplacement tel que la partie réelle de son impédance corresponde, changée de signe, à la partie réelle de l'impédance de l'antenne à cet emplacement. The thickness of the structure defines the thickness of the cavity. The upper metal layer, i.e. the patch, serves as a radiation emitting antenna, while being electrically connected to the DC bias circuit. The latter, also connected to the ground, thus provides the continuous polarization to the integrated SSL structure between the patch (layer M1) and the ground plane (layer M2) of the antenna, which melt at the location of the structure SSL with the two metal layers shown in Figure 1. The patch can be both rectangular as illustrated, as round. Its dimensions define the resonance frequency. If we look at the impedance matching aspect, we have to consider the real part and the imaginary part of the impedance of the SSL structure. Regarding the real part, we will place the SSL structure in the cavity at a location such that the real part of its impedance corresponds, changed sign, to the real part of the impedance of the antenna at this location.
Pour compenser la partie imaginaire de l'impédance de la structure SSL, on a en principe deux options. La première option, représentée sur la figure 5, est d'utiliser un tronçon d'adaptation quart d'onde wsxi4 ouvert au bout. La deuxième option représentée sur la figure 6, est d'utiliser un 35 tronçon d'adaptation demi-onde wsx/2 fermé au bout. Le tronçon est fermé par une capacité planaire SC, typiquement formée par une couche formant un plot métallique supérieur, séparé du plan métallique inférieur M1 par une épaisseur de diélectrique eGp inférieure à l'épaisseur ews de diélectrique du tronçon wsxi2. Cette deuxième option assure la continuité électrique entre le patch et la capacité planaire pour la polarisation continue. Son avantage est de permettre de fournir la polarisation continue à la structure SSL intégrée par une connection électrique arrivant sur la capacité planaire plutôt que sur le patch, ce qui minimise la perturbation apportée à l'émission térahertz par cette liaison. To compensate for the imaginary part of the impedance of the SSL structure, there are basically two options. The first option, shown in FIG. 5, is to use a wsxi4 quarter-wave adaptation section open at the end. The second option shown in FIG. 6 is to use a wsx / 2 half-wave matching section closed at the end. The section is closed by a planar capacitor SC, typically formed by a layer forming an upper metal pad, separated from the lower metal plane M1 by a dielectric thickness eGp less than the dielectric thickness ews wsxi2 section. This second option provides electrical continuity between the patch and the planar capacitance for continuous polarization. Its advantage is to provide continuous polarization to the integrated SSL structure by an electrical connection arriving at the planar capacitance rather than the patch, which minimizes the disruption to the terahertz emission by this link.
L'homme du métier définira ainsi les différentes dimensions et épaisseurs pour obtenir l'adaptation optimale désirée. Those skilled in the art will thus define the different dimensions and thicknesses to obtain the desired optimal adaptation.
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| KUMAR SUSHIL ET AL: "1.9 THz quantum-cascade lasers with one-well injector", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 88, no. 12, 24 March 2006 (2006-03-24), pages 121123-1 - 3, XP012080671, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.2189671 * |
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