WO2013041613A1 - Dispositif a super-reseau semiconducteur fonctionnant dans le domaine de frequences terahertz - Google Patents

Dispositif a super-reseau semiconducteur fonctionnant dans le domaine de frequences terahertz Download PDF

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WO2013041613A1
WO2013041613A1 PCT/EP2012/068522 EP2012068522W WO2013041613A1 WO 2013041613 A1 WO2013041613 A1 WO 2013041613A1 EP 2012068522 W EP2012068522 W EP 2012068522W WO 2013041613 A1 WO2013041613 A1 WO 2013041613A1
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WO
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well
superlattice
wannier
stark
terahertz
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/068522
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English (en)
Inventor
Christophe Minot
Vishal JAGTAP
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Institut Telecom/Telecom Paris Tech
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Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Institut Telecom/Telecom Paris Tech filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
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    • H01L29/152—Compositional structures with quantum effects only in vertical direction, i.e. layered structures with quantum effects solely resulting from vertical potential variation
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    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
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    • H01L29/8618—Diodes with bulk potential barrier, e.g. Camel diodes, Planar Doped Barrier diodes, Graded bandgap diodes
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    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/88—Tunnel-effect diodes

Definitions

  • the invention relates to physical structures operating on the principles of quantum physics, and more specifically to a semiconductor superlattice device for the generation and processing of 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.
  • the paths that have been contemplated in the past to produce signal sources at such frequencies include, if limited to semiconductor sources that are particularly suitable for miniaturization: direct generation of optical oscillations by pumping very low bandgap materials; but the best materials found do not allow to fall below 15 terahertz;
  • 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.
  • the object of the invention is to provide a structure for generation or generation and processing of signals at terahertz frequencies, which is based on the use of periodic semiconductor super-networks 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.
  • the injection of electrons into this structure is made of electronically and not according to the known but weakly effective technique of pulsed optical excitation of the semiconductor super-network.
  • 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.
  • 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.
  • the two materials are gallium arsenide (GaAs) and gallium aluminum arsenide (Al x Ga-i- x As), the charge carriers of electrons in the conduction band.
  • GaAs gallium arsenide
  • Al x Ga-i- x As gallium aluminum arsenide
  • 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.
  • 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. (consisting of the layer with the highest energy level at the bottom of the conduction band).
  • potential wells constituted by the layer having the lowest energy level at the bottom of the conduction band
  • potential barriers consisting of the layer with the highest energy level at the bottom of the conduction band.
  • the thicknesses of the layers of the superlattice will be chosen in such a way that the width of the first miniband of the superlattice is greater than the separation between the levels of the Wannier-Stark, to avoid the transfer of electrons towards levels of parasitic energy not belonging to the useful Wannier-Stark scale.
  • the electrons remain in the first miniband of the superlattice, c that is to say in this useful Wannier-Stark scale.
  • the energy levels of this Wannier-Stark scale located 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 side downstream 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.
  • 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.
  • 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.
  • the injection of charges into the wells has an effect on the injection mechanism itself.
  • 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.
  • a potential well 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.
  • this injection well is wider than the wells of the superlattice.
  • extraction means 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).
  • 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 slightly N-type doped.
  • the extraction means directly or indirectly supplies an N-type doped output region which may be formed, after the potential barrier closing the extraction well, of an N type doped region followed by a heavily doped N + type region.
  • 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 .
  • a repetition of several super-networks in cascade is used, and only the first super-network is powered directly by an N-type region.
  • the others are supplied indirectly, that is to say each by the super -net immediately preceding.
  • 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.
  • the two energy levels of the extractor-injector well are separated by a value which is the energy of a longitudinal optical phonon.
  • 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.
  • the oscillating structure is placed at the heart of the an active microstrip antenna (microstrip technology), also called a patch antenna, impedance matched as much as possible to the oscillating super-lattice structure.
  • FIG. 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 superlattice;
  • 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.
  • 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.
  • the first semiconductor material is GaAs
  • the second Al x Ga-i- x As.
  • 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.
  • 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:
  • AIGaAs 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 GaAs layers forming the barriers of the super-lattice all have the same thickness b different from the thickness has GaAs layers.
  • a layer 42 of GaAs which forms a well of the injector 40; a layer 43 of AIGaAs 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 is a layer 52 of GaAs, thick, strongly doped N +, used for making contact.
  • composition of the AIGaAs layers is identical.
  • ax 1 5%, which is written as: Alo j sGao.ssAs.
  • GaAs contact layers and intermediate doping are doped.
  • This doping (typically silicon) of the GaAs layers can be uniform.
  • the value of the N + doping may be equal to 2.1 0 18 cm 3 and for the layers 1 2 and 51, the value of the doping N can be 1 .1 0 17 cm -3 .
  • the doping can be gradual, the doping gradually varying on the thickness of the layer.
  • the GaAs layer 1 1 can be gradually doped from the value N + to the value N.
  • the GaAs thin layers forming the wells of the structure may optionally be slightly doped N; in practice these layers forming wells will be doped only a few molecular monolayers, for example of 3 layers, or about 1 nm, doped 5.10 16 cm “3. This is equivalent to a superlattice doping of some 1 0 15 cm" 3 .
  • the well of the injector is wider in thickness than the wells of the super-network.
  • the invention is not limited to such an embodiment.
  • a Wannier-Stark scale is obtained, formed by these localized energy levels that are regularly distributed from well to well and descend in 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.
  • FIG. 2 represents the conduction band diagram of the superposition of thin layers forming the injector, the superlattice and the extractor, of the structure of FIG.
  • FIG. 2 represents the conduction band diagram of the superposition of thin layers forming the injector, the superlattice and the extractor, of the structure of FIG.
  • This figure shows the alternation of the barriers and potential wells, with, from left to right, the barrier / well / barrier alternation of the injector 40, the 5 well / barrier alternations of the superlattice 30, and the barrier / well / barrier alternation of the extractor 20.
  • the last barrier of the super-network is "melted" with the next barrier of the extractor.
  • the superlattice begins with the layer 39 forming a potential well
  • a static electric field F in the bottom direction of the stack up the stack
  • the Wannier-Stark scale including the 5 rungs shown in Figure 2, denoted WSi to WS 5 , where WSi is the highest rung, located and centered on the first well 39 of the superlattice and WS 5 , the lowest rung, located and centered on the last well 31 of the superlattice.
  • These steps allow the transport of electrons in the super-lattice, from upstream to downstream, through the quantum transport mechanism in the successive energy levels formed by the Wannier-Stark scale steps which is more commonly considered in the semi-classical approach under the name of tape transport, here of miniband.
  • 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 potential barrier. 41.
  • This well 42 has a clean energy level L, which is substantially at the same height as the Wannier-Stark WS 2 step of the second well 37 of the superlattice; the energy level of the electron reservoir is then resonant by resonant tunneling effect with the energy level of the Wannier-Stark WS 2 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.
  • the Wannier-Stark WS 2 level of the second well 37 with a lower coupling, but in the vicinity of the 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.
  • the injection of charges into the wells has an effect on the injection mechanism itself.
  • the local variations in the density of charges injected into the wells modify the electronic potentials and feedback on the quantum energy levels that 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 v B , and therefore terahertz sources.
  • 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 WS 2 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.
  • the extractor 20 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 L e located substantially at the same height as the energy level of the Wannier-Stark WS 5 step of the last well 31 of the super-network. This level L e is therefore much farther 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 L e of the extraction well through the barrier 23, of width w e , and in the vicinity of the resonance, therefore with a high extraction efficiency.
  • the electron reservoir is supplied directly or indirectly by an N-type doped input region.
  • the layer 52 forms a highly doped region allowing a direct supply.
  • the simplest is to provide a less doped N-type region between the highly doped region and the injector 40.
  • this less doped region is produced by the layer 51, between the layer 52 and the barrier layer 43 of the injector 40.
  • the extraction means directly or indirectly supplies an N-type doped output region which may be formed, after the potential barrier closing the extraction well, of an N type doped region followed by a heavily doped N + type region.
  • N-type doped output region which may be formed, after the potential barrier closing the extraction well, of an N type doped region followed by a heavily doped N + type region.
  • the two N-type input and output regions 1 1 1 constitute the contact regions through which the static electric field F to which the superlattice must be subjected to form the Wannier-Stark scale and between which the the flow. They are electrically connected to a continuous bias circuit by metal deposition on each of them (hatched areas in Figure 1).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • each extractor / injector well is arranged for the two energy levels L e and L, of each extractor / injector well to be separated from a value which is the energy of a longitudinal optic phonon, equal to hv L o (h Planck 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:
  • 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.
  • the barrier layers of the structure comprise a percentage of aluminum of 15% (AI 0 , 15 Ga 0 , 85 As)
  • this very narrow interlayer may 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 L e and L, of the extraction / injection well when it is placed in the vicinity of the central position in the initial well. .
  • a corresponding structure will comprise, as illustrated in FIG. 4 (to be read from left to right), a first extractor / injector E / l upstream of a first super-network SR- ⁇ , followed by an extractor / injector E / 1 2 , followed by a second super-network SR 2 ....
  • the structure can continue thus by repetition of 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.
  • downstream contact layer GaAs - 2000 - 2.10 18 / cm 3
  • interlayer GaAs - 500 - 1 .10 17 / cm 3
  • barrier (downstream): AI 5 Ga 85 As - 16 (w,) - well (200-2 and 100-2): GaAs - 62 - 5.10 16 / cm 3 on 3 narrow barrier monolayers (200-b and 100-b) ): AI 15 Ga 96 As - 9 - wells (200-1 and 100-1): GaAs - 82 - 5.10 16 / cm 3 on 3 barrier monolayers (upstream): AI 5 Ga 85 As - 60 (w e ) -
  • interlayer GaAs - 500 - 5.10 17 / cm 3
  • upstream contact layer GaAs - 5000 - 5.10 18 / cm 3
  • a structure according to the invention can thus be constituted, for example, by stacking these different patterns, with periodic alternation of the extractor / injector well and super-array well patterns, between the downstream and upstream contacts.
  • an extraction well is produced; ie a well that is not also an injection well.
  • 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 200-1, 200-2).
  • 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 (U WS 2 ) for the injection and the pair (L e , WS 5 ) for extraction.
  • These pairs are characterized by the coupling energies, respectively equal to the minimum separation between energy levels when the electric field F varies.
  • These ⁇ coupling energies and are governed by an O w barrier thickness, and w e and should be comparable to the widths of the Wannier-Stark levels.
  • the position of the low level L, in the injection well 42 depends mainly on its thickness w. w, w, and w e 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 w e determine the efficiency of the injection and the extraction and also influence the tunability.
  • 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.
  • This allows the cutoff frequency related to the transit resonance which is of the order of 1 / T, where T e S R / V is the transit time of the electrons in the superlattice, does not become substantially less at the frequency of Bloch v B.
  • the oscillating structure is placed at the heart of the a microstrip active antenna, also called a patch antenna, impedance matched as much as possible to the super-lattice oscillating structure.
  • 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.
  • FIGS. 5 and 6 Two variants of such an antenna are illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 illustrates the integration of an SSL structure according to the invention into a patch antenna A with a ws / 4 quarter-wave adaptation section open at the end.
  • the SSL source terahertz frequency structure is embedded in a dielectric cavity, for example a cavity C of benzocyclobutene B CB, sandwiched between two metal layers M1 and M2, typically gold.
  • the metal layer below (M2) serves as the ground plane for the electric mass and for the terahertz waves.
  • 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 merge at the location of the SSL structure with the two metal layers shown in Figure 1.
  • the patch can be both rectangular in shape, as illustrated, as round. Its dimensions define the resonance frequency.
  • the first option is to use a quarter-wave fit section ⁇ NSx / 4 open at the end.
  • the second option shown in FIG. 6 is to use a ws / 2 half-wave adaptation 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 e G p less than the thickness e ws of dielectric of the section ws / 2 .
  • 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.

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Abstract

L'invention concerne une structure pour la génération, ou la génération et le traitement, de signaux a des fréquences dans le domaine térahertz comprenant un super-réseau semiconducteur comprenant n puits de potentiel (39, 37, 35, 33, 31), séparés les uns des autres par une barrière (38, 36, 34, 32), en une alternance périodique. La structure est soumise a un champ électrique statique (F) dans le sens de I'empilement des couches, qui est suffisant pour que la vitesse moyenne des électrons diminue avec I'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, confine localise sur chaque puits de potentiel, le super-réseau commençant du cote amont dans le sens de circulation des électrons par un premier puits (39). II est prévu un moyen d'injection d'électrons (40), formant réservoir d'électrons, couple au super-réseau par une barrière de potentiel (41) et présentant un niveau d'énergie propre qui est sensiblement a la même hauteur que I'échelon de Wannier-Stark d'un ième puits du super-réseau situe au-delà du premier puits du super-réseau, par exemple le second puits, de sorte que le niveau d'énergie (Li) 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.

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 superréseau 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 puisé. 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 génération et traitement de signaux à des 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. 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. 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. Typiquement, les deux matériaux sont de l'arséniure de gallium (GaAs) et de l'arséniure de gallium-aluminium (AlxGa-i-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 AlxGa-i-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. Notamment les épaisseurs des couches du super-réseau seront en pratique choisies de telle sorte que la largeur de la première minibande du superréseau soit plus grande que la séparation entre les niveaux de Wannier- Stark, pour éviter les transferts d'électrons vers des niveaux d'énergie parasites n'appartenant pas à l'échelle de Wannier-Stark utile. Avec une telle structure, dans la plage de fonctionnement où la vitesse des électrons décroît avec le champ électrique, typiquement pour un champ électrique entre quelques kV/cm et environ 20kV/cm, les électrons restent dans la première minibande du super-réseau, c'est-à-dire dans cette échelle de Wannier-Stark utile.
Les niveaux d'énergie de cette échelle 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 superréseau. 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.
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.
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 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.
Cela permet d'injecter de manière cohérente des populations d'électrons du même ordre de grandeur dans différents puits du superréseau. 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.
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).
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 superréseau 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 cœur 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 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 superréseau 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.
DESCRI PTION 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, AlxGa-i-xAs. 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.
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 1 1 de GaAs, épaisse, fortement dopée N+, servant à la prise contact;
-une couche 1 2 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 AIGaAs qui forme une deuxième barrière de l'extracteur 20 ;
-une alternance périodique de couches GaAs (couches 31 , 33, 35,
37, 39) et de AIGaAs (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 AIGaAs formant les barrières du super-réseau ont toutes la même épaisseur b différente de l'épaisseur a des couches GaAs.
-une couche 41 de AIGaAs, 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 AIGaAs 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.
Dans cette structure la composition des couches AIGaAs est identique. Par exemple on a x=1 5% , ce qui s'écrit : AlojsGao.ssAs.
Dans l'exemple, seules les couches GaAs de contact et de dopage intermédiaire sont dopées.
Ce dopage (typiquement du silicium) des couches GaAs peut être uniforme. Dans un exemple de réalisation, pour les couches GaAs de contact 1 1 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 2.1 018 cm"3 ; et pour les couches 1 2 et 51 , la valeur du dopage N peut être de 1 .1 017 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 1 1 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 1 015 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 AIGaAs 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 1 1 et 52, il se crée dans chaque puits de potentiel du super-réseau 30 un niveau d'énergie localisé par le champ électrique. On obtient une échelle de Wannier-Stark, formée par ces niveaux d'énergie localisés qui 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 de l'échelle de Wannier-Stark 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.
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 l'échelle de Wannier-Stark comprenant les 5 échelons représentés sur la figure 2, notés WSi à WS5, où WSi 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. Ces échelons permettent d'assurer un transport des électrons dans le super-réseau, de l'amont vers l'aval, grâce au mécanisme de transport quantique dans les niveaux d'énergie successifs formés par les échelons de l'échelle de Wannier-Stark qui est plus couramment considéré dans l'approche semi- classique sous la dénomination de transport de bande, ici de minibande.
Le puits 42 de l'injecteur 40 se trouve ainsi en amont du superréseau, 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 superréseau ; 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 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.
L'injection d'électrons dans le super-réseau se fait alors doublement :
- d'une part sur le niveau de Wannier-Stark WSi 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.
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 superréseau 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 1 2 et 1 1 de la structure de la figure 1 .
Les deux régions d'entrée 52 et de sortie 1 1 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 ).
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.
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=hvLO +(n-2)hvB +ôe +ôi
Pour effectuer l'ajustement de la valeur de cette différence de niveaux (Le-Lj ) 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% (AI0,i5Ga0,85As), cette couche intercalaire très étroite peut avoir une composition en aluminium de 7 à 1 5%, 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.
Par exemple, une structure correspondante comprendra, comme illustré sur la figure 4 (à lire de gauche à droite), un premier extracteur/injecteur E/l en amont d'un premier super-réseau SR-ι , suivi d'un extracteur/injecteur E/l2, 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 l/E2 et l/E sur la figure 4):
barrière (aval): AI 5Ga85As - 16 (w,) - puits (200-2 et 100-2): GaAs - 62 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière étroite (200-b et 100-b): AI15Ga96As - 9 - puits (200-1 et 100-1 ): GaAs - 82 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière (amont): AI 5Ga85As - 60 (we)-
Pour chaque super-réseau (SR2 et SRi sur la figure 4) :
puits : GaAs - 68 (a) - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière : AI15Ga85As - 33 (b) - puits : GaAs - 68 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière : AI 5Ga85As - 33 - puits : GaAs - 68 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière : AI15Ga85As - 33 - puits : GaAs - 68 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches barrière : AI 5Ga85As - 33 - puits : GaAs - 68 - 5.1016/cm3 sur 3 monocouches Pour le contact Amont:
couche intercalaire : GaAs - 500 - 5.1017/cm3
couche de contact amont: GaAs - 5000 - 5.1018/cm3
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 superréseau 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 101 À (68+33) soit 10,1 nm, et le nombre n de périodes est égal à 5, soit une épaisseur de super-réseau égale à eSR=n.d=505À, soit 50,5 nm, et une épaisseur de chaque extracteur/injecteur de 229À, 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 200- 1 , 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 (U WS2) pour l'injection et la paire (Le, WS5) pour l'extraction. Ces paires sont caractérisées par les énergies de couplage, respectivement
Figure imgf000020_0001
égales à la séparation minimale entre les niveaux d'énergie lorsque le champ électrique F varie. Ces énergies de couplage δ, et ôe 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,
Figure imgf000021_0001
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.
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 superréseau (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 superréseau). 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 super-réseau défavoriserait fortement l'établissement d'un régime d'oscillations entretenues. Un autre temps caractéristique du super-réseau est le temps τ de relaxation de la cohérence du transport. Ce temps dépend de la température de fonctionnement. Le champ critique Fc au-delà duquel la vitesse moyenne V des électrons diminue lorsque le champ électrique F augmente est donné par e.d.Fc=h/(27n;). C'est aussi un champ au-delà duquel les niveaux de Wannier-Stark du super-réseau sont bien individualisés. En pratique, le rapport Τ/τ du temps de transit au temps de relaxation doit rester inférieur à environ 2π. 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 cœur d'une antenne active de type microstrip, appelée encore antenne patch, d'impédance 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.
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 ws /4 ouvert au bout.
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. 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.
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 \NSx/4 ouvert au bout.
La deuxième option représentée sur la figure 6, est d'utiliser un tronçon d'adaptation demi-onde ws /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 ws /2. 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.
L'homme du métier définira ainsi les différentes dimensions et épaisseurs pour obtenir l'adaptation optimale désirée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz ou de génération et traitement de tels signaux, comprenant un super-réseau semiconducteur (30) constitué par une alternance périodique, de période d, d'au moins deux couches superposées, très minces, de deux matériaux semiconducteurs de bandes interdites différentes et de mailles adaptées, en relation épitaxiale, les couches de l'un des matériaux constituant n puits de potentiel (39, 37, 35, 33, 31 ) et les couches de l'autre matériau constituant des barrières de potentiel (38, 36, 34, 32) encadrant ces puits, et des moyens d'application d'un champ électrique statique (F) dans le sens de l'empilement des couches, et le champ électrique étant suffisant pour que la vitesse moyenne des électrons diminue avec l'augmentation du champ, le champ électrique produisant dans le super-réseau une répartition discontinue de niveaux d'énergie électronique propres formant des échelons d'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 (39), caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen d'injection d'électrons (40), formant réservoir d'électrons, couplé au super-réseau par une barrière de potentiel (41 ) et présentant un niveau d'énergie propre (L,) qui est sensiblement à la même hauteur que l'échelon de l'échelle de Wannier-Stark d'un ième puits (37) du super-réseau situé au-delà du premier puits (39) du super-réseau de sorte que le niveau d'énergie (L,) 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.
2. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1 , dans laquelle le ième puits du super-réseau est le deuxième puits (37) dans le sens de l'amont vers l'aval.
3. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen d'injection (40) est formé par un puits de potentiel (42) suivi d'une barrière de potentiel (41 ), en amont du premier puits (39) du réseau.
4. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 3, dans laquelle le puits de potentiel du moyen d'injection comporte au moins un niveau d'énergie propre (l_i) plus proche du fonds du puits que les niveaux de Wannier-Stark (WS-i , WS2, WS3, WS4, WS5) formés dans les n puits du super-réseau.
5. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle les puits de la structure sont fabriqués en utilisant des matériaux de compositions voisines ou identiques, et le puits du moyen d'injection est plus large que les puits du super-réseau.
6. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle est prévu un moyen d'extraction (20) qui comprend une couche (23) formant barrière de potentiel en aval du nième puits (31 ) du super-réseau et un puits d'extraction (22) suivant cette barrière, le puits d'extraction présentant un niveau d'énergie propre (Le) sensiblement à la même hauteur que le niveau de Wannier-Stark (WS5) du nième puits (31 ) du super-réseau.
7. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 6, qui comprend une répétition de plusieurs super-réseaux en cascade (SR-ι , SR2) séparés par des moyens d'extraction et d'injection.
8. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 7, dans laquelle le moyen d'injection ou réservoir d'électrons (E/l2) d'un super-réseau (SR2) situé en aval constitue en même temps le moyen d'extraction du super-réseau (SR-i) situé immédiatement en amont, un seul puits de potentiel (200) servant de puits d'extraction et de puits d'injection.
9. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 8, dans laquelle le puits de potentiel extracteur-injecteur (100) est caractérisé par deux niveaux d'énergie propre (Le , Li) différents, l'un étant plus haut (Le ) et servant pour l'extraction, l'autre étant plus bas (L,) et servant pour l'injection.
10. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 9, dans laquelle les deux niveaux d'énergie du puits extracteur/injecteur sont séparés d'une valeur qui est l'énergie d'un phonon optique longitudinal.
1 1 . Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1 0, dans laquelle le puits extracteur/injecteur (100) est divisé en deux couches (100-1 , 100-2) séparées par une couche barrière intercalaire (1 00-b) très étroite ayant un niveau de bas de bande de conduction différent de celui des couches de puits.
1 2. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur totale du super-réseau (eSR) est inférieure ou égale à la vitesse moyenne des électrons V dans le super-réseau pour la valeur du champ électrique F appliqué, divisée par la fréquence de Bloch vB, définie par une énergie hvB = e. F.d qui est inférieure à la largeur de la première minibande du super-réseau, avec e, la charge de l'électron et h, la constante de Planck.
13. Structure d'émission comprenant une structure de génération de signaux (SSL) à des fréquences dans le domaine térahertz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une antenne active d'émission/réception (A) en technologie de type microruban et en ce que la structure de génération de signaux (SSL) est placée au cœur de l'antenne.
14. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 1 3, l'antenne active (A) comprenant un tronçon d'adaptation d'impédance à bout ouvert.
15. Structure de génération de signaux à des fréquences dans le domaine térahertz selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'antenne active (A) comprend un tronçon d'adaptation d'impédance à bout fermé.
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