Un nouveau détecteur de radiation Terahertz (THz) a été démontré au sein de l’équipe Photonique THz de l’IEMN, en collaboration avec la startup Vmicro, une spin-off du même laboratoire.
Fig. 1 Dans le graphique est représentée la réponse en fréquence du détecteur, mesurée à l’aide d’un laser à cascade quantique à 2.5 THz, modulé en amplitude (courbe noire). La courbe rouge est le résultat d’un fit issu d’un modèle analytique. (a) Photo de Microscopie Electronique à Balayage du détecteur entièrement réalisé sur plateforme Silicon-on-Insulator (SOI). On distingue le microlevier suspendu en forme de «U». (b) Simulation du 1er mode de flexion hors-plan excité par la radiation THz incidente. (c) Vue en coupe du détecteur. La radiation THz incidente est focalisée sur les antennes par une lentille hyper-hémisphérique (en vert) en contact avec le substrat (en gris). Le faisceau laser pour la lecture optique à 1.55µm est réfléchi par l’extrémité du microlevier [1].
Le gamme THz manque cruellement de détecteurs fonctionnant à température ambiante qui soient à la fois sensibles et rapides. Les détecteurs actuellement sur le marché, tels que les thermopiles, les détecteurs pyroélectriques, ou les bolomètres silicium ont des temps de réponse allant typiquement de 10 à 100ms, ce qui les rend difficilement voire pas du tout utilisables pour de nombreuses applications, comme la détection ou la spectroscopie de gaz, l’imagerie en champs proche 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.
Un nouveau type de détecteur, à la fois sensible (NEP ~ 10nW/Hz^1/2) et 4 à 5 ordres de grandeur plus rapide comparé aux détecteurs disponibles commercialement a donc été démontré. De plus, ce détecteur est entièrement réalisé sur une plateforme SOI, donc compatible avec la microélectronique CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), ce qui pourrait, dans le futur, permettre la réalisation d’un système de lecture complètement intégré.
Ces résultats ont fait l’objet d’une publication dans la revue Applied Physics Letters [1].
[1] K. Froberegr at el., SOI-based micro-mechanical terahertz detector operating at room-temperature and atmospheric pressure, Appl. Phys. Lett. 120, 261103 (2022); doi:10.1063/5.0095126
