A new Terahertz (THz) radiation detector has been demonstrated within the THz Photonics team of the IEMN, in collaboration with the startup Vmicro, a spin-off of the same laboratory.
Fig. 1 In the graph is represented the frequency response of the detector, measured with a quantum cascade laser at 2.5 THz, modulated in amplitude (black curve). The red curve is the result of a fit from an analytical model. (a) Scanning Electron Microscopy photo of the detector entirely realized on Silicon-on-Insulator (SOI) platform. The suspended "U"-shaped microlever can be distinguished. (b) Simulation of the 1rst out-of-plane bending mode excited by the incident THz radiation. (c) Cross-sectional view of the detector. Incident THz radiation is focused onto the antennas by a hyperhemispheric lens (green) in contact with the substrate (gray). The laser beam for the optical reading at 1.55µm is reflected by the end of the microlever [1].
The THz range cruelly lacks detectors operating at room temperature that are both sensitive and fast. The detectors currently on the market, such as thermopiles, pyroelectric detectors, or silicon bolometers have response times typically ranging from 10 to 100ms, which makes them difficult or impossible to use for many applications, such as gas detection or spectroscopy, near-field imaging etc.
C’est pour essayer de combler ce vide que des chercheurs de l’équipe Photonique THz, en collaboration avec le personnel de Vmicro, ont conçu, réalisé et caractérisé un nouveau type de détecteur constitué d’un microlevier en silicium de seulement 40mm de longueur et 10mm de largeur. Comme illustré en FIg.1(a),(b), le microlevier prend la forme d’un «U». Sur les deux bras est déposée une fine couche d’or, ce qui forme deux antennes dipolaires, capables donc de collecter et d’absorber la radiation THz incidente. Par conséquence la radiation THz est transformée en chaleur par effet Joule dans les couches métalliques. A cause de la différence entre les coefficients d’expansion thermique de l’or et du silicium, ce réchauffement produit une flexion hors-plan du microlevier, comme illustré en Fig.1(b) (cet effet est connu sous le nom « d’effet bilame »). Cette dernière est enfin lue optiquement, grâce à un faisceau laser à 1550 nm qui est réfléchi par l’extrémité du microlevier et dirigé vers un système de détection sensible au déplacement du faisceau (Fig.1(c)). Grace à sa taille extrêmement réduite, la constante de temps thermique du microlevier est de l’ordre de la microseconde, ce qui détermine le temps de réponse du détecteur. La réponse en fréquence illustrée en Fig.1 en est la preuve expérimentale.
A new type of detector, both sensitive (NEP ~ 10nW/Hz^1/2) and 4 to 5 orders of magnitude faster compared to commercially available detectors has been demonstrated. Moreover, this detector is entirely realized on a SOI platform, thus compatible with CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) microelectronics, which could, in the future, allow the realization of a completely integrated reading system.
These results were published in the journal Applied Physics Letters [1].
[1] K. Froberegr at el., SOI-based micro-mechanical terahertz detector operating at room-temperature and atmospheric pressureAppl. Phys. Lett. 120, 261103 (2022); doi:10.1063/5.0095126
