Study of graphene-based high frequency optoelectronic devices for optoelectronic mixing
Étude de dispositifs optoélectroniques hyperfréquence à base de graphène pour le mélange optoélectronique
Résumé
Since the first experiment performed in 2004 by Andrej Geim et Konstantin Novosëlov, graphene has been extensively studied in the field of photonics and optoelectronics. Its extraordinary properties include very high charge carrier mobility and light absorption in a wide spectrum of wavelengths, including the telecommunication wavelength (1.55 μm). This properties make this material very appealing for the realization of optoelectronic devices used in RADAR and telecommunications. Moreover, since graphene can be integrated the standard silicon technological platform, it has the potential to substitute III-V materials. The application domain of graphene-based devices and components has considerably grown during the last years. Nevertheless, since the key parameters impacting the performances of graphene-based optoelectronic devices are still not properly controlled, the number of applications at the industrial scale remains very limited. In this thesis work, optoelectronic mixing, a very used function in RADAR and telecommunication systems, is demonstrated by using graphene-based devices. First, we performed a statistical study of charge carrier mobility, residual doping and contact resistance. This study allowed to identify the best technological process and the best characterization methods (choice of the test devices and of the parameters extraction methods). By using this optimized procedure, we realized the first demonstration of a high frequency optoelectronic mixer based on graphene. Then, an in-depth study of several RF devices with different geometries allowed to identify the best operation conditions and the best design. Using the designed coplanar waveguides as well as an alternative method relying on high frequency based RF transistors, the optoelectronic mixing in graphene has been demonstrated up to 67 GHz. The majority of this work has been conducted using statistical methods. To do so, I implemented a automatized experimental set-up which enabled the study of a considerable number of devices. This approach has proven to be essential for controlling and optimizing the technological process in the perspective of an industrial development.
Depuis les premières expérimentations effectuées en 2004 par Andrej Geim et Konstantin Novosëlov, le graphène a été largement étudié dans le domaine de la photonique et de l’optoélectronique. Ses extraordinaires propriétés incluent une très grande mobilité des porteurs de charge et une absorption large bande y compris à la longueur d’onde typique des télécommunications (1.55 μm). Ces propriétés rendent ce matériau très prometteur pour les composants optoélectroniques utilisées dans les RADAR ou pour les télécommunications. En outre, comme le graphène peut être intégré sur une plateforme silicium, il apparait comme un potentiel substitut aux matériaux III-V. Le domaine d’application des composants à base de graphène a considérablement augmenté au cours de ces dernières années. Néanmoins, comme les paramètres clés impactant les performances des dispositifs optoélectroniques basé sur le graphène ne sont pas encore bien contrôlés, le nombre d’implémentations à l’échelle industrielle reste toujours très limité. Dans ce travail de thèse, le mélange optoélectronique, une fonction très utilisée dans les systèmes RADAR et de télécommunications, est démontré avec des dispositifs basées sur le graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude statistique de la mobilité des porteurs de charge, du dopage résiduel et des résistances de contact. Cette étude a permis d’identifier le meilleur procédé technologique et les meilleures méthodes de caractérisation (choix des composants de test et des méthodes d’extraction des paramètres). En utilisant ce procédé optimisé, nous avons réalisé la première démonstration d’un mélangeur optoélectronique hyperfréquence basé sur le graphène. Puis, une étude approfondie de nombreux dispositifs RF avec différentes géométries a permis d’identifier les meilleures conditions opératives et le meilleur design. A l’aide de lignes coplanaires mais aussi de transistors hyperfréquence à base de graphène, nous avons démontré le mélange optoélectronique à des fréquences allant jusqu’à 67 GHz. Ce travail a été principalement mené en utilisant des méthodes statistiques. A cette fin, j’ai développé une mesure automatisée qui a permis de mesurer et d’étudier un nombre considérable de dispositifs. Cette approche s’est avérée essentielle pour contrôler et optimiser le processus technologique dans la perspective d’un développement industriel.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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