FR3115371A1 - THz electromagnetic wave generator controlled by field effect transistors. - Google Patents
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Abstract
Le but de la présente invention est de produire un générateur d’ondes électromagnétiques THz compacte à l’aide de transistor à effet de champ.The purpose of the present invention is to produce a compact THz electromagnetic wave generator using a field effect transistor.
Description
La présente invention concerne un dispositif de génération d’ondes électromagnétiques THz (fréquence de 1 à 10 THz) commandé par des transistors à effet de champ.The present invention relates to a device for generating THz electromagnetic waves (frequency from 1 to 10 THz) controlled by field effect transistors.
Le générateur est stabilisé en faisant osciller ce dernier à une longueur d'onde qui peut être adaptée en fonction de la structure de bande des matériaux utilisés.The generator is stabilized by making it oscillate at a wavelength which can be adapted according to the band structure of the materials used.
Etat de l’art:State of the art:
L'invention concerne un dispositif de génération d’ondes électromagnétiques de 1 à 10 THz commandé par des transistors à effet de champ. Un tel générateur peut être utilisé dans le domaine des télécommunications, des réseaux sans fil, des radars, de la surveillance, de la détection de gaz, de l’observation des étoiles, du domaine médical.The invention relates to a device for generating electromagnetic waves of 1 to 10 THz controlled by field effect transistors. Such a generator can be used in the field of telecommunications, wireless networks, radars, surveillance, gas detection, star observation, medical field.
Actuellement il existe plusieurs types de générateur d’ondes électromagnétiques THz.Currently there are several types of THz electromagnetic wave generator.
Dans le brevet WO2007037243, le dispositif de génération d’ondes THz comporte plusieurs lumières lasers à impulsions et génère une onde THz à partir d’un système de composition de fréquences et de filtrage.In the patent WO2007037243, the THz wave generating device comprises several pulsed laser lights and generates a THz wave from a frequency dialing and filtering system.
Dans le brevet WO2005098530, le dispositif de génération d’ondes THz est très proche du brevet WO2007037243 mais il comporte en plus un dispositif de circulation de lumière.In patent WO2005098530, the device for generating THz waves is very close to patent WO2007037243 but it also includes a light circulation device.
Dans le brevet WO2012153666A1, le dispositif comprend une fibre creuse dans laquelle un milieu de gain est disposé. Cette fibre est excitée par une énergie d’excitation et l’onde générée est prélevée sur un résonateur.In patent WO2012153666A1, the device comprises a hollow fiber in which a gain medium is disposed. This fiber is excited by an excitation energy and the generated wave is taken from a resonator.
Dans le brevet FR3061367, le dispositif comprend un cristal non linéaire adapté pour former à partir de deux générateurs, une radiation THz issue de la différence de fréquences. La fréquence générée est comprise entre 0.3 THz et 10 THz et le dispositif a un module de stabilisation en fréquence.In the patent FR3061367, the device comprises a nonlinear crystal adapted to form, from two generators, THz radiation resulting from the frequency difference. The frequency generated is between 0.3 THz and 10 THz and the device has a frequency stabilization module.
Par ailleurs, il faut préciser que J.M. Redwing a proposé une structure à semi-conducteurs avec une région de gap périodique élevée, et une structure de fil dans laquelle le silicium et le germanium sont agencés alternativement. Cependant, dans ce dernier dispositif, il est généralement nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode source pour créer un nœud artificiel et par conséquent l’onde est perturbée.Furthermore, it should be noted that J.M. Redwing proposed a semiconductor structure with a high periodic gap region, and a wire structure in which silicon and germanium are arranged alternately. However, in the latter device, it is generally necessary to short-circuit the gate electrode and the source electrode to create an artificial node and consequently the wave is disturbed.
Le but de la présente invention (5000) est de générer des ondes électromagnétiques de 1 à 10 THz à l’aide de transistor à effet de champ. La présente invention utilise les ondes de plasma.The purpose of the present invention (5000) is to generate electromagnetic waves of 1 to 10 THz using field effect transistors. The present invention uses plasma waves.
Dans la présente invention, l’indice de réfraction de la partie active est compris entre 200 et 400.In the present invention, the refractive index of the active part is between 200 and 400.
Dans la présente invention, la longueur d’onde de plasma est un multiple de la longueur d’onde de la partie active.In the present invention, the plasma wavelength is a multiple of the wavelength of the active part.
Dans la présente invention, la plus petite dimension dans la partie active a une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm pour augmenter la densité électronique et permettre ainsi une bonne transmission par effet tunnel.In the present invention, the smallest dimension in the active part has a thickness comprised between 1 nm and 5 nm to increase the electron density and thus allow good transmission by tunnel effect.
Dans la présente invention, les matériaux sont disposés astucieusement dans la partie active afin de créer des barrières de potentiel au nœud de l’onde, ainsi il n’est pas nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode de source.In the present invention, the materials are arranged cleverly in the active part in order to create potential barriers at the node of the wave, so it is not necessary to short-circuit the gate electrode and the source electrode. .
Dans la présente invention, la puissance de l’onde électromagnétique (quelques mW) peut être augmentée si dans la partie active les matériaux sont disposés de façon périodique.In the present invention, the power of the electromagnetic wave (a few mW) can be increased if in the active part the materials are arranged periodically.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-dessous :The invention will be better understood using the description below:
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Description de l’invention:Description of the invention:
Dans la présente invention (5000), le générateur d’ondes électromagnétiques THz est composé d’une pluralité de couches de semi-conducteurs.In the present invention (5000), the THz electromagnetic wave generator is composed of a plurality of semiconductor layers.
Dans la présente invention, les électrons introduits dans la partie active vibrent entre les points de réflexion en utilisant une région à haut gap et une région à faible gap et génèrent une onde plasma.In the present invention, the electrons introduced into the active part vibrate between the reflection points using a high gap region and a low gap region and generate a plasma wave.
Dans la présente invention, une vibration ayant un nœud dans la région de gap élevé est générée, et la longueur d’onde λ de l’onde plasma est un multiple de la longueur de la partie active.In the present invention, a vibration having a node in the high gap region is generated, and the wavelength λ of the plasma wave is a multiple of the length of the active part.
Dans la présente invention, il n’est pas nécessaire de court-circuiter l’électrode de grille et l’électrode de source.In the present invention, it is not necessary to short-circuit the gate electrode and the source electrode.
Dans la présente invention, la plus petite dimension de la région à haut gap a une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm, ce qui permet de garantir une bonne conduction de courant par effet tunnel et une oscillation de plasma.In the present invention, the smallest dimension of the high-gap region has a thickness between 1 nm and 5 nm, which makes it possible to guarantee good current conduction by tunnel effect and plasma oscillation.
Dans la présente invention, la position de la région à haut gap peut être contrôlée de façon extrêmement précise lors du processus de fabrication, de sorte que l’onde de plasma peut être générée grâce à la longueur de l’électrode de grille.In the present invention, the position of the high-gap region can be extremely precisely controlled during the manufacturing process, so that the plasma wave can be generated through the length of the gate electrode.
Dans la présente invention, si la taille de la partie active est inférieur à la moité de la longueur d’onde de l’onde plasma, les perturbations multimodes et fronts d’onde sont diminuées.In the present invention, if the size of the active part is less than half the wavelength of the plasma wave, the multimode and wavefront disturbances are reduced.
Dans la présente invention, une pluralité de nœuds de l’onde de plasma peut être formée en utilisant une région à haut gap à l’intérieur de la partie active, de sorte que l’électrode de grille peut être allongée quelque soit la longueur d’onde de l’onde de plasma.In the present invention, a plurality of nodes of the plasma wave can be formed by using a high-gap region inside the active part, so that the gate electrode can be elongated regardless of the length d plasma wave wave.
Dans la présente invention, il est possible d’augmenter la puissance de l’onde électromagnétique générée tout en simplifiant le dispositif de commande avec une seule électrode de grille.In the present invention, it is possible to increase the power of the generated electromagnetic wave while simplifying the control device with a single gate electrode.
Dans la présente invention, la région de faible gap peut être constituée de germanium, et la région de haut gap peut être constituée de silicium.In the present invention, the low gap region can be made of germanium, and the high gap region can be made of silicon.
Dans la présente invention la région de faible gap peut être constituée d’un composé d’aluminium, et la région de haut gap peut être constituée d’un composé d’Indium.In the present invention, the low gap region can be made of an aluminum compound, and the high gap region can be made of an indium compound.
Dans le mode de réalisation de la présente invention la
Dans le mode de présentation de l’invention, le substrat (580) peut être en silicium. Le film isolant (570) peut être en SiO2. L’électrode de grille (500) peut être composée de poly-silicium. In the embodiment of the invention, the substrate (580) can be made of silicon. The insulating film (570) can be made of SiO 2. The gate electrode (500) can be made of poly-silicon.
L'électrode de source (510), l'électrode de drain (520) sont formées par levage pour obtenir un élément générateur d'ondes électromagnétiques.The source electrode (510), the drain electrode (520) are formed by lifting to obtain an electromagnetic wave generating element.
Dans le mode de présentation de l’invention, du germaniumest utilisé pour la région de faible gap et du silicium est utilisé pour la région de haut gap notamment dans la fabrication de la partie active (530, 540, 550, 560). In the mode of presentation of the invention, germanium is used for the low gap region and silicon is used for the high gap region in particular in the manufacture of the active part (530, 540, 550, 560).
Si la partie active a une taille inférieur à 20 nm il faut adapter la composition de celle-ci pour éviter un phénomène de blocage de Coulomb car la barrière de potentiel à franchir peut être trop élevée.If the active part has a size of less than 20 nm, its composition must be adapted to avoid a Coulomb blockade phenomenon because the potential barrier to be crossed may be too high.
Dans la présente invention, lorsque la tension de grille est de 1 V, la fréquence de l’onde de plasma est proche de 4 THz.In the present invention, when the gate voltage is 1 V, the frequency of the plasma wave is close to 4 THz.
Dans la présente invention, il peut être envisagé d’obtenir des fréquences d’ondes de plasma de l’ordre de 1 THz.In the present invention, it can be envisaged to obtain plasma wave frequencies of the order of 1 THz.
Dans la présente invention, la puissance de sortie de l’onde (quelques mW) est la suivante :In the present invention, the output power of the wave (a few mW) is as follows:
P = ( C * U02* W * Le) * (V0/ Le) * α2 (1) P = ( C * U 02 * W * L e ) * (V 0 / L e ) * α 2 (1)
Dans cette formule (1), C est la capacité surfacique sous l’électrode de grille ; UIn this formula (1), C is the surface capacitance under the gate electrode; U 00 est la composante continue de la tension appliquée au canal sous l’électrode de grille ; W est la largueur de la partie active ; Le est la longueur de la partie active ; Vis the DC component of the voltage applied to the channel under the gate electrode; W is the width of the active part; Le is the length of the active part; V 00 est la vitesse de l’électron ; α est le degré de modulation égale au rapport de la composante alternative sur la composante continue (Uis the speed of the electron; α is the degree of modulation equal to the ratio of the AC component to the DC component (U 11 / U/U 00 ) lorsque U=U) when U=U 00 +U+U 11 e (iωt).e (iωt).
Le premier terme entre parenthèses de la formule(1)représente l’énergie E stockée sous l’électrode de grille et le deuxième terme entre parenthèses de la formule(1)représente le nombre nard’aller retour des électrons qui vont et viennent entre les barrières de potentiel représentées sur la
Dans la présente invention, l’indice de réfraction effectif neffest proche de 300 (il peut être compris entre 200 et 400) lorsque la concentration d’électrons dans la couche semi-conductrice est de 1012 cm -2 . Généralement, l’indice de réfraction est proche de 3 dans un semi-conducteur de type silicium. In the present invention, the effective refractive index n eff is close to 300 (it can be between 200 and 400) when the concentration of electrons in the semiconductor layer is 10 12 cm -2 . Generally, the refractive index is close to 3 in a silicon type semiconductor.
Dans la présente invention, en augmentant la concentration il est possible de diminuer l’indice effectif et ainsi d’adapter la vitesse de déplacement des électrons.In the present invention, by increasing the concentration it is possible to reduce the effective index and thus to adapt the speed of movement of the electrons.
Dans la présente invention, la vitesse cIn the present invention, the speed c pp de l’onde plasma dépend de la tension appliquée à travers la relation cof the plasma wave depends on the voltage applied through the relation c pp =(eU=(eU 00 /meff )/meff ) 0.50.5 (2).(2).
Dans la présente invention, il est possible de modifier la fréquence de l’onde plasma fp = cp / 4Le en jouant sur la tension appliquée U0 et sur la masse effective meff des électrons dans les matériaux.In the present invention, it is possible to modify the frequency of the plasma wave fp = cp / 4Le by varying the applied voltage U0 and the effective mass meff of the electrons in the materials.
Dans la présente invention, la fréquence de l’onde plasma sera adaptée à la structure périodique en fonction de l’indice de réfraction effectif ceci afin de générer la fréquence attendue.In the present invention, the frequency of the plasma wave will be adapted to the periodic structure according to the effective refractive index in order to generate the expected frequency.
Dans la présente invention, l’électrode de grille peut être en or, en argent, en aluminium, en cuivre.In the present invention, the gate electrode can be gold, silver, aluminum, copper.
Dans la présente invention, la longueur de l’électrode de grille est constante, aussi la longueur d’une région de gap élevé peut être modifiée, même si l’énergie E stockée est constante.In the present invention, the length of the gate electrode is constant, so the length of a high gap region can be changed, even if the stored energy E is constant.
Dans la présente invention, en augmentant le nombre nar de régions à gap élevé (
Dans la présente invention, la fréquence et l’intensité de l’onde plasma peuvent être modifiées en ajustant la période des régions à haut gap et à faible gap.In the present invention, the frequency and intensity of the plasma wave can be changed by adjusting the period of the high-gap and low-gap regions.
Procédé de fabrication de l’invention:Manufacturing process of the invention:
Plusieurs procédés peuvent être utilisés dans la formation de la présente invention. Des détails spécifiques concernant un procédé de gravure peuvent être trouvés dans le brevet américain No. 5,484,740, intitulé "Méthode de fabrication d'un semi conducteur III-V Gate Structure ", publié le 16 janvier 1996 et le brevet américain No. 5,619,064, intitulé "III-V Semi-conductor Gate Structure and Method of Manufacture », publié le 8 avril 1997, les deux étant indiquéq ici uniquement à titre de référence. D’autres procédés de fabrication de l’invention peuvent être la croissance vapeur-liquide-phase unique ou l’épitaxie en phase vapeur.Several methods can be used in the formation of the present invention. Specific details regarding an etching process can be found in U.S. Patent No. 5,484,740, entitled "Method for Making a III-V Gate Structure Semiconductor", issued January 16, 1996 and U.S. Patent No. 5,619,064, entitled "III-V Semi-conductor Gate Structure and Method of Manufacture," published April 8, 1997, both of which are provided herein for reference only. Other manufacturing methods of the invention may be vapor-liquid-growth- single phase or vapor phase epitaxy.
Dans le mode de réalisation présenté, en effectuant un dopage à haute concentration sur une partie de la région à haut gap, il est possible de fournir des électrons de concentration élevée de la région à haute concentration à la région à basse concentration.In the presented embodiment, by performing high concentration doping on a part of the high gap region, it is possible to supply high concentration electrons from the high concentration region to the low concentration region.
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