THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TERAHERTZ GENERATION BY PHOTOSWITCHING IN LOW-TEMPERATURE-GROWN GALLIUM ARSENIDE DEVICES
Etude théorique et expérimentale de la génération térahertz par photocommutation dans des composants en GaAs basse température
Résumé
The aim of this work was to characterize and modelize a semiconductor photoswitch device that can generate subpicosecond electrical pulses. This device is an interdigital comb located in the central line of a gold coplanar waveguide layed deposited over a low-temperature-grown GaAs layer doped with beryllium. By exciting this polarized detector with a femtosecond laser pulse, picosecond and sub-picosecond electrical pulses are generated. The pulse duration is approximately equal to the electron lifetime in the semiconductor. A comparative study of several characterization methods (photoconductive, electro-optic and electroabsorption samplings) was done. The advantages and drawbacks of each technique are given. Measurements show the influence of the material and microwave circuit dynamics on the device response. Especially, an increase of the electron lifetime caused by trap level saturation is observed, as well as the influence of the detector capacity on the device response and the limitation of the amplitude of pulses caused by the line impedance. To describe the experimental data, we built a simple model based on an electrical equivalent circuit, that takes into account material and microwave responses of the device. The agreement between theory and experiment is good. This allows us to understand the dynamics of the physical and electrical parameters when the detector is excited by two consecutive optical pulses. This photoconductive pump-probe measurement shows clearly the relaxation time of the photoswitch and the trap saturation. Finally, the model allows us to calculate the bandwith of the device when used in a photomixing experiment.
L'objectif de ce travail fut de modéliser et caractériser un composant à semiconducteur capable de générer des impulsions électriques subpicosecondes par photocommutation. Ce composant est réalisé avec un peigne interdigité situé au milieu du ruban central d'un guide coplanaire en or déposé sur du GaAs basse température dopé au béryllium. En éclairant avec un laser femtoseconde ce détecteur polarisé, il est possible de générer des impulsions électriques dont la durée est approximativement celle du temps des vie des électrons. Une étude comparative de plusieurs méthodes de caractérisation (échantillonnages photoconductif, électro-optique, électroabsorption) fut réalisée et met en évidence avantages et inconvénients de chaque technique. Les différentes mesures montrent l'influence du matériau et du circuit hyperfréquence sur la réponse du dispositif. On observe en particulier l'augmentation du temps de vie des électrons due à la saturation du niveau de piège. De même, on observe l'influence de la valeur de la capacité du détecteur sur la durée de la réponse et la limitation de l'amplitude des impulsions due à l'impédance des lignes. Un modèle simple, basé sur un circuit électrique équivalent, prenant en compte les aspects matériau et hyperfréquence, permet de bien décrire ces phénomènes. De plus, ce modèle illustre en détail la dynamique des différents paramètres physiques et électriques lors de l'éclairement du détecteur par deux impulsions optiques consécutives. Cette mesure pompe-sonde photoconductive montre le temps de relaxation du photocommutateur et la saturation des pièges. Enfin, le modèle permet de calculer la bande passante du dispositif en photomélange.
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