Logo Foton

FOTON-OHM UMR CNRS 6082            

 

 

caractérisations optiques pour le moyen infra-rouge

Les difficultés principales rencontrées ici proviennent de la longueur d'onde d'émission des structures réalisées qui nous empêchent d'utiliser les moyen de caractérisations habituellement utilisés dans le domaine des télécommunication et conçues pour fonctionner autour de 1,3 µm et 1,55 µm.

L'analyse de la luminescence est réalisée avec un monochromateur Jobin Yvon HR 640 muni de réseaux 600 traits/mm blazé à 1,3 µm ou bien 300 traits/mm blazé à 2 µm. Une photodiode InSb Judson refroidie à l'azote liquide est utilisée pour détecter la lumière, associée à une détection synchrone EG&G 5208. L'ensemble est interfacé avec Labview.

La collection de la luminescence issue de l'échantillon soumis à diverses excitations (laser, courant) ainsi que l'injection dans le monochromateur sont réalisées avec deux lentilles d'un pouce de diamètre, en CaF2, transparent dans l'infrarouge (voir les spectres de transmission des matériaux couramment utilisés par Newport à ces longueurs d'onde sur la figure 4).

Figure 4  : Transmission de quelques fenêtres utilisées dans le MIR.

 

Les photographies présentée ci-dessous montrent une vue de dessus du banc de luminescence ainsi que les différentes configurations possibles dont le fonctionnement est détaillé ensuite.

1- La photoluminescence

Un banc de photoluminescence à géométrie confocale a été monté à l'entrée du monochromateur. L'excitation des échantillons est réalisée par un laser à semiconducteur émettant à 1064 nm, d'une puissance de 100 mW commandé par un générateur de basse fréquence permettant l'utilisation de la détection synchrone. La figure 5 montre le trajet de la lumière sur une photographie de ce banc. Le laser de pompe est symbolisé par le faisceau fin vert. Il est réfléchi sur un miroir puis sur le filtre interférentiel avant d'être focalisé sur l'échantillon par une lentille convergente en CaF2 de 4 cm de focale et un pouce de diamètre. La lumière du laser, dans le domaine infrarouge, n'est en fait pas visible. Il en est de même de la luminescence issue de l'échantillon et symbolisé en rouge sur le schéma. Un partie est collectée par la même lentille que celle utilisée pour la focalisation du laser, traverse ensuite le filtre avant d'être focalisée sur la fente d'entrée du monochromateur. Cette deuxième lentille de focalisation, en CaF2,  est choisie de façon telle que le faisceau entrant dans le monochromateur présente la bonne ouverture angulaire et éclaire ainsi l'ensemble du réseau mais pas au-delà. Sa focale est de 20cm et son diamètre égal à un pouce.

Figure 5  : Schéma du dispositif d'analyse de la luminescence en configuration photoluminescence à température ambiante.

La séparation de la lumière de pompe et de la luminescence est réalisée avec deux filtres passe haut dont les fréquences de coupure se situent à 1400 nm et 1900 nm. Leurs spectres de transmission ont été réalisés au FTIR pour évaluer la bande passante de ces filtres. Sur la figure 6, on observe que les transmissions des filtres peuvent être considérées comme homogènes jusqu'à des longueurs d'onde de 2.75 µm et 3,5 µm respectivement.

Figure 6  : Fonction de transmission des filtres passe-haut à 1400 nm et à 1900 nm utilisés dans les mesures de photoluminescence. Ces spectres sont réalisé avec un FTIR équipé d'un détecteur InSb refroidi à l'azote.

L'échantillon est maintenu sur son support par une petite pompe aspirante permettant d'assurer un positionnement quasi-identique d'un échantillon à l'autre. Ce dispositif, couplé à la géométrie confoncale permet de diminuer les réglages nécessaires à chaque utilisation et de rendre comparable les conditions d'excitation et de collection de la lumière d'un échantillon à l'autre. La comparaison de l'intensité des spectres devient alors possible.

L'adjonction d'un cryostat à azote à la place du porte échantillon permet de faire des mesures à basse température. Celui-ci est équipé d'une fenêtre en CaF2 transparente dans la gamme de longueur d'onde étudiée.

2- Le pompage optique de lasers

Caractérisations électro-optiques

La réalisation de caractérisations électriques nécessite une mise en forme (dépôts de contact métallique et clivage essentiellement) d'une structure un peu différente dans la mesure où celle-ci doit permettre le passage du courant (dopage des couches entourant la zone active) et l'alimentation en porteurs des nanostructures étudiées (jonction PN : dopage opposé des couches au dessus et en dessous de la zone active). Ces opérations ont lieu lors de l'épitaxie pour le dopage et en salle blanche pour le reste. L'échantillon mis en forme se présente alors comme sur la photo de la figure 7.

Figure 7  : Photographie prise au microscope optique montrant la face supérieure d'une barrette de lasers. On y voit les contacts dorés de 100, 50, 20 µm.

Il a l'aspect d'une barrette de quelques millimètres de long dont la photographie montre un tronçon. Ces barrettes sont obtenues par clivage de l'échantillon suivant les axes propres du substrat. Chaque ruban doré est un contact qui permet d'alimenter la structure au moyen de pointes métallique que l'on positionne sur ces rubans, l'autre contact étant pris sur le dessous de l'échantillon par collage à la laque d'argent sur un support métallique. On dispose sur chaque barrette de rubans de 100, 50 ou 20 µm.

3- Test électrique de la structure laser

La caractéristique électrique des éléments de la barrette nous informe sur la qualité de la jonction PN. La courbe I(V), dont un exemple est montré sur la figure 8, donnant le courant qui traverse l'échantillon, au niveau d'un contact, en fonction de la tension imposée à ses bornes nous donnent ainsi accès à trois grandeurs essentielles : la tension de seuil de la diode et sa résistance dans les états passant et bloqué déduite simplement à l'aide de la loi d'Ohm.

Figure 8  : Caractéristique I(V) d'un contact de 100 µm sur une barrette de 2 mm de long (en trait plein noir sur le graph). La droite en tirets rouge représente la tangente à I(V) dans l'état passant et la droite en pointillés bleus, la tangente dans l'état bloqué.

La résistance dans l'état bloqué traduit les fuites présentes dans la structure ou occasionnée par un mauvais collage, elle doit être la plus grande possible. La résistance dans l'état passant traduit elle la bonne qualité de la structure : contacts métalliques et défauts de la structure. Moins cette résistance est importante, plus il sera possible d'obtenir un fonctionnement à fort courant d'excitation sans que l'échauffement résultant de la dissipation par effet Joule n'endommage le dispositif. La tension de seuil nous informe sur la qualité de l'empilement et la précision du dopage des couches.

4- L'électroluminescence

Lors du passage du courant (dans la partie passante de la caractéristique de la diode présentée au-dessus) la distribution des porteurs est modifiée par rapport à la situation d'équilibre. La densité d'électrons dans la bande de conduction augmente de même que la densité de trous dans la bande de valence. Cette situation hors équilibre provoque l'émission de photons par recombinaison d'un électron de la bande de conduction avec un trou de la bande de valence. Ce sont ces photons qui constituent la lumière émise par une diode électroluminescente (DEL). Etant donnée la géométrie des barrettes, ce sont essentiellement les photons qui sont émis dans des directions proches de l'axe du ruban qui sortent de la structure et que l'on analyse mais qui sont a priori, en l'absence d'effet laser, émis de façon isotrope.

Un générateur de pulse de courant déclenché par un générateur basse fréquence (GBF) assure l'alimentation de la structure. La détection se fait sur le banc de spectroscopie décrit plus haut, la détection synchrone utilisant le signal du GBF.

Deux configurations ont été développées : température ambiante et basse température. Dans la première, l'échantillon est directement positionné à l'entrée du banc avec le « module » électroluminescence comme le montre la photo de la figure 9 (a). Dans sa configuration basse température, l'échantillon est placé dans un cryostat à doigt froid refroidi hélium liquide (figure 9 (b)) et la lumière est récoltée par une fibre optique à cur large en  chalcogénure, relativement transparente dans le MIR. La sortie de la fibre est positionnée à l'entrée du banc comme le montre la figure 9 (c).

Figure 9  : Dispositifs utilisés pour les mesures d'électroluminescence. (a) Module utilisé à température ambiante. (b) Cryostat à hélium et détail de la barrette en position. (c) Sortie de la fibre optique placée en entrée du banc de spectroscopie pour les basses températures.

5- Le pompage électrique de laser

Le dispositif est ici le même que précédemment. On parle d'électroluminescence lorsque l'effet laser est absent. La seule différence réside le plus souvent dans l'intensité du courant d'excitation, généralement beaucoup plus élevé lorsque l'on souhaite obtenir l'effet laser. En contrepartie, le rapport cyclique des pulses de courant qui sont envoyés est drastiquement diminué, jusqu'à 5000 environ.


HOME

webmaster: C. CORNET