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Thèse Année : 2003

Electro-optical characterization of terahertz devices using subpicosecond Franz-Keldysh sampling

Caractérisation électro-optique de composants térahertz par échantillonnage Franz-Keldysh subpicoseconde

Résumé

The increasing flows of telecommunications need the realization of integrated circuits using transistors with increasing cut-off frequencies. The evaluation of the intrinsic performances of these devices that work today at several hundredth of GHz, presents one a difficult problem of instrumentation. The capacities of networks analyzers generally used for these measurements are indeed exceeded.

Electro-optic sampling methods based on a femtosecond pulsed laser constitute an alternative solution for microwave characterizations. These measurements can have a time resolution better than one picosecond and allow the study of integrated devices presenting a frequency response up to 1 THz.

The ultra-high speed sampling technique we propose is based on an electroabsorption effect in bulk semiconductors : the Franz-Keldysh effect. This effect allowed us to optically probe ultrafast electrical pulses propagating on a transmission line on Gallium Arsenide (GaAs). These pulses are generated also by an optical way using an ultrafast photoconductive material: GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperature.

The experimental demonstration of this characterization tool is first realized using the intrinsic properties of the semiconductor substrate. The obtained results show a very low invasiveness, a subpicosecond time resolution and a good sensitivity. In a second time, improvement is brought to the experimental set-up to extend the measurement technique to all kind of substrates. In this aim, we have used an epitaxial lift-off technique that consists in bonding with Vand der Waals forces a thin film of a semiconductor layer directly on the transmission line under test. We measured very clean electrical pulses with a 2.5 THz bandwidth.

These measurement techniques are applied to the characterization of several transmission lines or passive devices in the THz band. They allow for example the demonstration of shock wave coupling between coplanar striplines on GaAs or the evaluation of the S-parameters of an integrated Bragg filter up to 1.2 THz. The possibility to study the ultrafast behaviour of an Heterojunction Bipolar Transistor by electroabsorption sampling can now be contemplated.
L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des performances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées.

Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la réponse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz.

La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs : l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide : le GaAs épitaxié à basse température.

La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour permettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de « lift-off » épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Ces différentes méthodes de mesure sont ensuite appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. Elles ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibilité d'étudier un transistor bipolaire à hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.
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Dates et versions

tel-00012147 , version 1 (14-04-2006)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00012147 , version 1

Citer

L. Desplanque. Caractérisation électro-optique de composants térahertz par échantillonnage Franz-Keldysh subpicoseconde. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00012147⟩
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