Cette thèse s’inscrit dans le développement d’imageurs térahertz en technologie intégrée CMOS avec pour volonté de rendre ces derniers fiables et robustes, de permettre de réaliser de l’imagerie en temps réel, à température ambiante et à bas coût de production. L’ensemble doit être mené en parallèle de l’amélioration des réponses et sensibilités des capteurs actuels dans le but de rendre l’imageur fonctionnel et industrialisable. La caractérisation d’un imageur THz précédent réalisée au cours de la thèse a permis de redéfinir avec plus de rigueur cette caractérisation ainsi qu’une méthodologie de conception de la partie amont du pixel térahertz. Cette partie amont inclut l’antenne réceptrice et son environnement électromagnétique ainsi qu’un transistor à effet de champ redressant le signal THz reçu. Différentes parties amont de pixels THz, sensibles autour de 300 GHz, ont été développées. L’ensemble est monolithiquement intégré à l’aide du procédé CMOS standard dans un circuit complet et l’antenne est co-conçue avec le MOSFET de redressement afin de réaliser l’adaptation d’impédance. Chaque pixel inclut une antenne intégrée au niveau métallique supérieur avec un plan de masse parfois couplé à une métasurface afin d’isoler cette antenne du circuit de traitements du signal (non traité dans cette thèse) et du substrat de silicium localisés aux niveaux inférieurs du circuit. Finalement, 17 cas de test croisés (16 de 3 x 3 pixels et une matrice de 9 x 9 pixels) intégrant différentes topologies d'antenne et configurations de surfaces électromagnétiques (plan de masse et métasuface) ainsi que différents transistors de redressement sont conçus et fabriqués en fonderie CMOS. / This thesis deals with the development of terahertz imager in CMOS technology with the objectives to make it robust and reliable, with real-time imaging capacity at ambient temperature and with low-cost production. These objectives has to be developed at the same time as the improvement of responses and sensibilities to get the imager functional and ready for industrialization. The characterization of a previous THz imager, done during this thesis, brought the possibility to redefine in a more rigorous way this characterization and to develop a methodology for designing the THz front-end pixel. This front-end includes the reception antenna and its electromagnetic environment and a field effect transistor (FET) rectifying the received THz signal. Various front-end of THz pixels, design for 300 GHz reception, were developed. The whole structure has to be monolithically integrated with the standard CMOS process in a complete circuit and the antenna is co-design with the rectifying MOSFET in order to satisfy the impedance matching. Every pixel includes an antenna, integrated in higher metal levels with a ground plan sometimes coupled with a metasurface. This is in order to isolate the antenna from the signal processing circuit (not investigated in this thesis) and the silicon substrate botth located at the lower levels of the circuit. Finally, 17 crossed test cases (16 of 3 x 3 pixels and one matrix of 9 x 9 pixels) which integrate various antenna topologies and various configurations of electromagnetic surfaces (ground plane and metasurface) with various rectifying transistor were designed and manufactured in CMOS foundry.

Ces dernières années les bandes de fréquence millimétriques et térahertz (THz) on tmontrées un fort potentiel pour de nombreuses applications telles que l’imagerie médicale et ,biologique, le contrôle de qualité ou les communications à très haut débit. Les principales raisons de cet intérêt sont les nombreuses propriétés intéressantes des ondes THz et millimétriques, telles que leur capacité traverser la matière et ceci de manière inoffensive ou le large spectre disponible à ces fréquences. Les applications visées nécessitent des sources de signaux énergétiquement efficaces, à forte puissance de sortie et, pour certaines applications, à faible bruit de phase. De plus, la demande croissante pour des applications dans ces bandes de fréquence imposent l’utilisation de technologie de hautes performances à coût métrisé et permettant une intégration à très grande échelle, telle que la technologie28nm CMOS FD-SOI. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution innovante pour la génération de fréquence millimétrique et THz en technologie CMOS : l’oscillateur distribué verrouillé par injection. Les travaux présentés dans ce manuscrit englobent l’analyse détaillé de l’état de l’art et de ses limites, l’étude théorique approfondie de la solution proposée pour une intégration en ondes millimétriques, le développement d’une méthodologie de conception spécifique en technologie CMOS ainsi que la conception de démonstrateurs technologique. Les différents oscillateurs intégrés en technologie 28nm FDSOI et opérant à des fréquences respectivement de 134 GHz et 200 GHz ont permis de démontrer la faisabilité de sources de signaux millimétrique et THz, à forte efficacité énergétique, forte puissance de sortie et faible bruit de phase en technologie CMOS à très grande échelle d’intégration. Enfin, la capacité de verrouillage par injection de tels oscillateurs distribués a été démontrée expérimentalement ouvrant la voie à de futurs systèmes THz totalement intégrés sur silicium. Les solutions intégrées démontrées dans cette thèse ont, à l’heure actuelle, la plus grande fréquence d’oscillation dans un noeud Silicium 28nm CMOS. / In recent years, millimeter-wave (mm-wave) and terahertz (THz) frequency bands haverevealed a great potential for many applications such as medical and biological imaging,quality control, and very-high-speed communications. The main reasons for this interestare the many interesting properties of THz and millimeter waves, such as their ability toharmlessly penetrate through matter or the broad spectrum available at these frequencies.Targeted applications require energy efficient signal sources with high power outputand, for some applications, low phase noise. In addition, the increasing demand in mmwave/THz applications requires the use of a cost-optimized, high-performance, and verylarge scale integration (VLSI) technologies, such as the 28nm CMOS FD-SOI technology.In this context, this thesis proposes an innovative solution for mm-wave and THz frequencygeneration in CMOS technology: the injection locked distributed oscillator (ILDO). Thework presented in this manuscript includes the detailed analysis of the state-of-the-artand its limitations, the detailed theoretical study of the proposed millimeter-waves bandsolution, the development of a specific design methodology in CMOS technology as well asthe design of technological demonstrators. The several 28nm FDSOI integrated distributedoscillators at 134 GHz and respectively 200 GHz have demonstrated the feasibility ofmm-wave and THz signal sources with high-energy efficiency, high output power, and lowphase noise in a VLSI CMOS technology. Finally, the injection locking capability of suchdistributed oscillators has been demonstrated experimentally paving the way for a futuresilicon-based fully integrated THz systems. The proposed circuits are as of today thehighest oscillation frequency solutions demonstrated in a 28nm CMOS Silicon technology.

Les sources appelées lasers à cascade quantique (LCQ) présentent des potentialités très intéressantes pour l'émission aux fréquences térahertz. Ce travail vise à mieux comprendre les phénomènes physiques à l'origine du transport quantique dans les LCQ. Dans ce but, nous avons utilisé la simulation Monte Carlo. Le mémoire est divisé en trois parties. Dans une première partie, nous présentons les sources optoélectroniques émettant dans l'infrarouge. Nous précisons le formalisme de l'équation Maîtresse pour modéliser le transport quantique dans ces dispositifs. La deuxième partie est consacrée à la description du modèle en insistant particulièrement sur la modélisation de l'interaction électron-électron. Dans la troisième partie, nous examinons des LCQ émettant dans l'infrarouge lointain. Il ressort de nos études que l'interaction électron-électron joue un rôle prépondérant à ces fréquences. Nous envisageons ensuite deux voies afin de diminuer la fréquence jusqu'à 1 THz.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de structures à cascade quantique dans le régime de l'effet Hall quantique. Deux types d'hétérostructures semi-conductrices ont été étudiés : une structure émettrice térahertz et une structure détectrice moyen infrarouge. Dans le premier cas, une mise en évidence claire de l'émission cyclotron a pu être démontrée grâce à la quantification de Landau résultant de l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux couches d'une structure à multi-puits quantiques. Cette étude a permis de réaliser un composant électroluminescent accordable en champ magnétique et émettant directement par la surface. Le mécanisme de diffusion responsable de cette émission est l'interaction électron-électron, un mécanisme de type Auger à Ncorps. Le champ magnétique sert dans ce cas de paramètre extérieur pour créer de nouveaux états électroniques permettant d'observer de l'émission lumineuse non-conventionnelle. L'étude d'un détecteur à cascade quantique à 8 m a été réalisée dans l'obscurité et sous illumination. Les chemins électroniques ont pu être identifiés dans les deux cas. Un modèle de photocourant ainsi que le calcul du temps de vie en fonction du champ magnétique de l'interaction électron-impuretés ionisées ont été développés. Ils ont permis d'identifier les améliorations à réaliser pour la mise en oeuvre de futures caméras basées sur des détecteurs à cascade quantique : importance de la place des impuretés ionisées dans la région active et rôle crucial du dessin de la cascade. Le champ magnétique a montré dans cette deuxième étude son formidable pouvoir d'outil spectroscopique.

Le domaine des ondes térahertz est un zone encore peu explorée du spectre électromagnétique, en dépit des qualités que lui confère sa position intermédiaire entre les ondes radars et l'infrarouge. Les progrès technologiques récents permettent désormais de générer des impulsions térahertz très courtes et offrent la possibilité d'effectuer des mesures résolues en temps des champs électriques associés. La détermination conjointe de l'amplitude et la phase des impulsions laisse libre cours au développement de nouveaux procédés de mesures et ouvre un grand champ de possibilités dans le traitement des données recueillies. La notion de phase est importante dans l'étude des phénomènes mettant en jeu la polarisation des ondes, et revêt un aspect singulier lorsque l'on s'intéresse à des impulsions ultra-brèves. L'étude de ces particularités a motivé le développement de dispositifs achromatiques adaptés au domaine térahertz tirant parti de certaines conditions de réflexion aux interfaces diélectriques. Ces dispositifs permettent de modifier les amplitudes et les phases différentielles des deux composantes du champ électrique des impulsions THz, afin de générer tous types d'états de polarisation cohérents. Aux impulsions térahertz sont associées des longueurs d'onde submillimétriques, ce qui assure une résolution spatiale convenable lorsque l'on cherche à former des images d'objets, tout en permettant d'exploiter les informations sur la structure temporelle de l'onde. Nous avons mis en œuvre quelques procédés d'imagerie afin de déterminer lesquels sont les mieux adaptés à l'étude d'objets biologiques, majoritairement constitués d'eau. Afin d'en tirer parti de la sensibilité des ondes aux ions en solution et de limiter l'importance des effets d'absorption dus à l'eau, nous avons mis au point une technique d'imagerie fondée sur le phénomène de réflexion interne totale. Cette technique tire son avantage de la mesure de la phase tout en présentant une excellente résolution transverse, particulièrement adaptée lorsqu'il s'agit d'étudier des objets biologiques fins tels que des neurones ou des monocouches cellulaires.

Cette thèse évolue selon trois axes de recherche. La première partie présente des travaux de spectroscopie TéraHertz (THz) de COV réalisés à l'aide du spectromètre THz par technique de photomélange, ce dernier rendant accessible la région spectrale 0,3-3 THz à haute résolution. Ces travaux concernent l'amélioration de paramètres moléculaires du formaldéhyde (H₂CO) obtenue grâce à la mise en oeuvre d'un système de métrologie performant reposant sur l'utilisation d'un peigne de fréquence. La très haute résolution de ce spectromètre a également permis un travail de collaboration efficace avec différents laboratoires concernant la détermination de coefficients d'élargissement du chlorure de méthyle (CH₃Cl). La deuxième partie montre la possibilité de détection de radicaux légers par technique de photomélange au travers d'études concernant les radicuax hybroxyle (OH) et mercaptan (SH). La très haute résolution de notre spectromètre donne accès à leur structure hyperfine avec des précision encore inégalées dans la région 1-3 THz. Cette partie illustre également l'intérêt de notre collaboration avec la ligne AILES du synchrotron SOLEIL et démontre la grande complémentarité entre le spectromètre photo-mélange et l'interféromètre couplée au rayonnement synchrotron. La dernière partie présente l'initiation au sein du groupe THz d'une étude cinétique effectuée grâce à une chaîne par multiplication de fréquence. Cette étude concerne concerne la photolyse de H₂CO. S'ajoute à ceci une étude visant à caractériser le rayonnement THz en présence d'aérosols de chlorure de sodium hydratés.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall...), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d’un dispositif de détection d’explosifsà l’aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d’une large gamme de matériaux d’intérêt pour ce type d’applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l’effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière. / This PhD work was performed in view of using terahertz electromagnetic signals forthe detection and identification of dangerous and prohibited substances. In a first stage,a database of the terahertz properties (namely refractive index and absorption) of thesesubstances was created from the measurements we performed using terahertz time-domainspectroscopy. Then a large bandwidth terahertz time-domain set up has been built, togetherwith a goniometric-type set up that allows us recording signals scattered by roughor heterogeneous samples. Finally, we studied the excitation and propagation of surfaceplasmons in the terahertz domain, which may be used for the detection of small amountsof matter.

Les observations astronomiques nous permettent d’étudier l’univers et de comprendre les phénomènes qui le gouvernent. La matière visible dans l’univers émet des ondes à des fréquences très diverses, réparties sur tout le spectre électromagnétique (domaines radio, submillimétrique, infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma). Ces ondes nous renseignent sur certaines caractéristiques physico-chimiques des éléments observés (nature, température, mouvement, etc.). Des télescopes couvrant différentes plages de fréquences sont nécessaires pour observer l’ensemble du spectre électromagnétique. Les radio-télescopes, sensibles aux ondes (sub)millimétriques, sont principalement dédiés à l’observation de la matière froide présente dans le milieu interstellaire. Le milieu interstellaire est le berceau des étoiles et son étude est essentielle pour comprendre les différentes étapes de la vie des étoiles. La fréquence maximale d’observation des radio-télescopes est en augmentation depuis la fabrication des premiers radio-télescopes dans les années 1930. Récemment, des radio-télescopes capables de détecter des signaux dans l’infrarouge lointain, au delà de 1 THz, ont été développés. Ces avancées technologiques ont été motivées, entre autres, par la présence, dans le milieu interstellaire, de molécules et d’ions uniquement observables à des fréquences supérieures à 1 THz. Pour observer des raies avec une haute résolution spectrale, les radio-télescopes sont équipés de récepteurs hétérodynes. Ce type de récepteur permet d’abaisser la fréquence de la raie spectrale observée tout en conservant ses caractéristiques (une raie observée à 1 THz peut, par exemple, être décalée à une fréquence de 1 GHz). Cette technique permet d’observer des raies avec une très haute résolution spectrale et c’est pourquoi les récepteurs hétérodynes sont largement utilisés pour les observations de raies spectrales aux fréquences GHz et THz. Dans les récepteurs hétérodynes, un oscillateur local (OL) émet un signal monochromatique à une fréquence très proche de celle du signal observé. Les deux signaux sont superposés à l’aide d’un diplexeur et transmis à un mélangeur. Ce dernier réalise le battement des deux signaux et génère un signal identique au signal observé mais à une fréquence plus faible. Durant ma thèse, j’ai travaillé sur la construction, la caractérisation et l’amélioration d’un récepteur hétérodyne à 2.6 THz. Cette fréquence d’observation (2.6 THz) est l’une des plus hautes atteintes par les récepteurs hétérodynes THz existant actuellement, ce qui constitue un défi technologique très important. Dans le but de caractériser et d’améliorer ce récepteur, je me suis concentré sur trois aspects essentiels ..... / (Sub)Millimeter-telescopes are often used to observe the interstellar medium in the universe and they enable us to study the stellar life cycle. To detect and study some important molecules and ions, we need receivers able to observe at frequencies above 1 THz. Receivers working at such high frequencies are quite new and the 2.6 THz heterodyne receiver I built and characterized during my PhD represents the state-of-the-art of THz heterodyne receivers. I especially focused on three important aspects of this receiver: its stability, the superimposition of the local oscillator signal (LO) and the observed signal by a diplexer, and the splitting of the LO signal by a phase grating. The stability was calculated with the Allan variance and I found that the two elements limiting the stability of our receiver were the 1.4 THz local oscillator and the mixer bias supply. The Martin-Puplett interferometer (MPI) diplexer I designed, built and tested is able to transmit 76 % of the LO power at 2.6 THz and we estimate a transmittance around 79 % for the observed signal. This MPI is operational and ready for the next generation of heterodyne receivers. Splitting the LO signal is essential to build heterodyne receivers with several pixels, which allows us to get spectra of the universe at many positions in the sky simultaneously. I have developed a new kind of grating, called Global gratings, and I made two prototypes of these Global phase gratings able to split the LO beam into four beams. These two phase grating prototypes, a transmissive and a reflective one, were optimized for 610 GHz and showed, respectively, an efficiency of 62 ± 2 % and 76 ± 2 %. These excellent results validate the design and fabrication processes of this new kind of grating. In conclusion, the work accomplished during this PhD constitutes an important step toward the realization of a very stable and highly sensitive 2.6 THz multi-pixel heterodyne receiver using a MPI diplexer.

Ce travail de thèse est constitué de l’étude sous champ magnétique de trois systèmes quantiquesd’un grand intérêt pour leurs propriétés électroniques et leurs applications potentielles àla photonique infrarouge et terahertz : deux structures à cascade quantique, l’une détectrice etl’autre émettrice, et le graphène épitaxié sur SiC face carbone. Le détecteur à cascade quantique enGaAs/AlGaAs, fonctionnant vers 15m, a été étudié dans l’obscurité et sous illumination, pour identifierles chemins électroniques intervenant dans le courant noir et en fonctionnement. Le développementd’un modèle de photocourant a permis d’identifier les paramètres-clé régissant le fonctionnementdu détecteur. L’étude, en fonction de la polarisation et de la température, d’un laser à cascadequantique térahertz en InGaAs/GaAsSb doté d’une structure nominalement symétrique montrel’impact de la rugosité d’interface sur les performances du laser. Nous montrons que le système d’hétérostructurede type II InGaAs/GaAsSb est prometteur pour le développement de lasers à cascadequantique térahertz fonctionnant à haute température. Enfin, l’étude magnéto-spectroscopique dugraphène épitaxié a montré, outre les transitions entre niveaux de Landau du graphène monocoucheidéal, une signature supplémentaire que nous avons attribuée au désordre, et plus particulièrementà l’existence de lacunes de carbone. Une modélisation des défauts sous la forme d’un potentiel deltareproduit remarquablement nos résultats expérimentaux, ce qui constitue la première mise en évidenceexpérimentale des effets des défauts localisés sur les propriétés électroniques du graphène.La structure des niveaux de Landau perturbée par le désordre est clairement établie. / This work reports on the study under magnetic field of three interesting quantumsystems, which present remarkable electronic properties and potential applications for infrared andterahertz photonics : two quantum cascade structures, one detector and one emitter, as well asepitaxial graphene layers grown on the carbon face of SiC. The GaAs/AlGaAs quantum cascade detector,designed to work around 15m, was studied both with and without illumination in order toidentify the electronic paths responsible for the dark current and the photocurrent. The developmentof a photocurrent model allowed us to identify the key points controlling the electronic transport.The investigation, as a function of the temperature and bias voltage, of a InGaAs/GaAsSb quantumcascade laser with a nominally symmetric structure shows the influence of interface roughness onthe laser performances. We demonstrate that the InGaAs/GaAsSb type II heterostructure system ispromising for developing terahertz quantum cascade lasers working at high temperature. Finally,magneto-spectroscopy experiments performed on epitaxial graphene display, besides the transitionsbetween Landau levels of monolayer graphene, additional signatures that we attribute to disorder,more specifically to carbon vacancies. Calculations using a delta-like potential for modeling thedefects are in good agreement with the experimental results. This study is the first experimental demonstrationof the influence of localized defects on the graphene electronic properties. The disorderperturbed Landau level structure is clearly established.