Terahertz Emission and detection by plasma waves in nanomter HEMT transistor

Détection et Emission Terahertz par les ondes de plasma dans des transistors HEMT à base d'hétérostructures GaN/AlGaN et InGaAs/InAlAs

Abdelouahad El Fatimy (1)

1 GES - Groupe d'étude des semiconducteurs

We report on detection of terahertz radiation by high electron mobility nanometer transistors. The photovoltaic type of response was observed at the 1.8–3.1 THz frequency range, which is far above the cut-off frequency of the transistors. The resonant response was observed and was found to be tunable by the gate voltage. The resonances were interpreted as plasma wave excitations in the gated two-dimensional electron gas. The minimum noise equivalent power was estimated, showing possible application of these transistors in sensing of terahertz radiation. Also, we report on the demonstration of room temperature, tuneable terahertz detection obtained by 50 nm gate length InGaAs/InAlAs High Electron Mobility Transistors (HEMT). We show that the physical mechanism of the detection is related to the plasma waves excited in the transistor channel and that the increasing of the drain current leads to the transformation of the broadband detection to the resonant and tuneable one. In addition we report on terahertz emission by two-dimensional electron plasma oscillations in nanometric transistors at room temperature. We observe the room temperature emission for transistors based on two types of heterostructures- InGaAs/InAlAs and AlGaN/GaN. For both types we obtain a well-defined source-drain voltage threshold for the integrated emission, which depends on the gate bias. For InGaAs/InAlAs, we observe only emission signal integrated over the total frequency range (0.1 – 10 THz). High intensity of the Thz emission from GaN/AlGaN structures allowed analysing its spectral content. The emission is interpreted as resulting from a current driven plasma
instability leading to oscillations in the transistor channel (Dyakonov–Shur instability)

Les détecteurs et émetteurs travaillant dans la gamme dite Terahertz sont très coûteux et onctionnent généralement à basse température. Les Professeurs Dyakonov et Shur ont proposé en 1993 une théorie sur l'instabilité des ondes de plasma dans un gaz d'électrons bidimensionnel. Cette théorie énonce qu'un transistor peut fonctionner comme détecteur ou source Terahertz quand la longueur de grille est de taille nanométrique. Dans ce manuscrit, nous présentons une source de radiation Terahertz par un Transistor HEMT à base de l'hétérostructures GaN/AlGaN, (cohérente), accordable à température ambiante, relativement intense (0.1 NW), de taille nanométrique et peu coûteuse. En second lieu, nous proposons des détecteurs Terahertz basés sur la technologie GaN/AlGaN et InGaAs/InAlAs et accordables à température ambiante. Notre étude, d'intérêt pluridisciplinaire, vise à explorer les limites physiques et technologiques des performances des transistors HEMT sur l'Emission et la Détection de radiation Terahertz. L'estimation du NEP (Noise Equivalent Power) a également été réalisée. D'un point de vue fondamental, cette étude nous permettra de mieux connaître les propriétés de la détection et de l'émission par un gaz d'électrons bidimensionnel par le biais des ondes de plasma.

Mots clés: THz detector; Resonant tunnelling devices; Plasma Waves; Terahertz Communication

Mots clés: détecteur terahertz; Transistor; HEMT; Détection; Résonant; NEP; Accordable; FTIR; CR Spectrometer; Instabilité des ondes de plasma

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Physique Atomique [physics.atom-ph]; Physique [physics]; Biophysique [physics.bio-ph]

Abdelouahad El Fatimy. Détection et Emission Terahertz par les ondes de plasma dans des transistors HEMT à base d'hétérostructures GaN/AlGaN et InGaAs/InAlAs. Matière Condensée [cond-mat]. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00182726⟩