Rapport de stage. Nicolas RIVIERE. DEA Micro-Ondes et Télécommunications Optiques Spécialité Transmissions optiques

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1 Rapport de stage Caractérisations optique et électrique de VCSELs mesa et AlOx Nicolas RIVIERE DEA Micro-Ondes et Télécommunications Optiques Spécialité Transmissions optiques Université Paul Sabatier Toulouse III ENSAE ENSEEIHT ENAC Responsables de stage Recherche Instrumentation Véronique BARDINAL-DELAGNES Charlotte BRINGER Corinne VERGNENEGRE Janvier - juillet 2002 LAAS-CNRS Groupe Photonique 7 avenue du Colonel Roche Toulouse cedex 4 France Tél Site internet

2 «La connaissance s'acquiert par l'expérience, tout le reste n'est que de l'information.» Albert Einstein (Nobel de Physique 1921) Pour tout renseignement, cliquez - i -

3 Les travaux exposés dans ce mémoire ont été réalisés dans le groupe Photonique du LAAS-CNRS (Laboratoire d Analyse d Architecture des Systèmes) de Toulouse. Ce stage n aurait pu voir le jour sans la présence de Monsieur Antonio MUNOZ-YAGUE, directeur de recherche et responsable du groupe Photonique. Je tiens à lui exprimer toute ma gratitude pour m avoir accueilli au sein de son laboratoire. Je remercie également Madame Chantal FONTAINE, directeur de recherche, qui a bien voulu me faire une place dans son bureau pour que je profite pleinement de sa passion pour l épitaxie. J adresse ma plus vive reconnaissance à Madame Véronique BARDINAL-DELAGNES pour son soutien et sa patience dans les nombreuses explications sur le principe des lasers à cavité verticale (VCSELs). Je n oublierai pas non plus son grand dévouement et son aide précieuse. Ses compétences scientifiques et ses conseils avisés m ont très certainement aidé à la réalisation de ce travail. Je souhaiterai mettre à l honneur Charlotte BRINGER qui m a fait profiter de sa toute nouvelle expérience de doctorant. Sa compétence dans le domaine des matériaux m a permis d affiner mes connaissances sur le fonctionnement des VCSELs. Un grand merci à Corinne VERGNENEGRE pour sa gentillesse, sa disponibilité et son aide dans l élaboration des expériences. Je remercie également pour ses conseils Thierry CAMPS, le grand spécialiste de l électronique pour qui l électron n a plus de secret et qui sait si bien nous faire partager sa bonne humeur. Merci à Emmanuelle DARAN, à Elena BEDEL et à Pascal Dubreuil qui ont consacré leur précieux temps pour répondre à mes questions et qui m ont fait partager leur passion pour la recherche. De nombreuses personnes ont aussi croisé ma route pendant ces six mois de stage. Je tiens à féliciter les jeunes du LAAS pour leur formidable énergie. Merci à Hélène, à Benoît, à Pascal, à Lucia, à Stéphanie, à Alex, à Jérôme, à Damien pour ses conseils en VB et à Amir pour son enthousiasme légendaire Pour tout renseignement, cliquez - ii -

4 SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE... 1 CHAPITRE I : PRESENTATION DES VCSELS... 2 I.1 Généralités sur le fonctionnement laser... 2 I.2 Lasers à semi-conducteurs... 3 I.3 Lasers à émission par la surface... 4 I.4 Description des VCSELs... 5 I.5 Avantages des VCSELs... 6 I.6 Epitaxie des structures... 8 I.7 Fabrication technologique des VCSELs... 9 I.7.1 Technologie mesa... 9 I.7.2 Technologie AlOx CHAPITRE II : BANC DE CARACTERISATION TRAVAIL REALISE II.1 Banc vertical de mesure du LAAS-CNRS II.1.1 Description du banc existant II.1.2 Améliorations du banc de caractérisation II.2 Caractérisations possibles II.2.1 Champ proche et champ lointain Champ proche Champ lointain II.2.2 Caractéristiques L.I.V II Description de l expérience II Mise en place de mesures automatisées Alimentation Profile PRO Alimentation Keithley Programme d acquisition des données II.2.3 Analyses spectrales II Spectre d émission II Cartographie et mesure de la réflectivité Description du principe Spectre de réflectivité sur banc optique vertical II.3 Conclusion Pour tout renseignement, cliquez - iii -

5 CHAPITRE III : ANALYSE DE COMPOSANTS TRAVAIL REALISE III.1 VCSELs à diaphragme d oxyde III.1.1 Etude de la cinétique d oxydation III.1.2 Influence de la forme des mesas III.2 Influence de la taille du diaphragme d oxyde sur les performances du composant.. 32 III.2.1 Vérification du caractère isolant de l oxyde d aluminium III.2.2 Influence de la taille du diaphragme sur le courant de seuil III.3 Fonctionnement en détecteur III.4 VCSELs mesa de grande taille III.4.1 VCSELs standards III.4.2 VCSELs en forme de bande CONCLUSION GENERALE BIBLIOGRAPHIE ANNEXES Annexe 1 Caractéristiques des sources en courant Annexe 2 Programme d acquisition de la puissance optique et de la tension en fonction du courant (VIP) Annexe 3 Programme d acquisition du Lyot Pour tout renseignement, cliquez - iv -

6 INTRODUCTION GENERALE Ce stage de DEA a été réalisé dans l équipe EMACO du groupe Photonique du LAAS-CNRS de Toulouse. Un des axes de recherche de ce laboratoire d accueil porte sur l étude de composants pour l optoélectronique et les télécommunications optiques. Ces dernières années ont vu l émergence de l optique dans le secteur des télécommunications, principalement par le biais des transmissions par fibre optique, qui ont stimulé le développement de nombreux dispositifs optoélectroniques. Ces dispositifs sont destinés tant à la génération qu à la transmission ou encore au traitement du signal. L effort se porte sur des nouveaux composants performants, fiables et de faible coût, notamment au niveau du composant source qui est l élément clé des applications visées. C est dans ce contexte que les lasers à cavité verticale à émission surfacique (VCSELs) ont été développés et ont drainé un effort intense de recherche. L idée en a été évoquée pour la première fois dans les années 80 par Iga et al. et les premiers résultats sur des lasers fonctionnant en régime électrique continu ont été publiés dix ans plus tard par ces mêmes auteurs. Depuis, de nombreux travaux ont été menés sur ce composant, d une part au niveau des éléments qui les constituent (réflecteurs et cavités à puits quantiques), et d autre part sur la technique de fabrication qui conduit aux confinements optique et électrique. C est dans ce contexte que s est déroulé mon stage qui porte sur les «caractérisations optique et électrique de VCSELs mesa et AlOx». Dans la première partie du mémoire, nous décrirons les VCSELs et leurs avantages. Ensuite, nous exposerons les méthodes de fabrication possibles et le processus d oxydation humide pour concevoir des composants avec un diaphragme d AlOx enterré, technique qui a été développée ces dernières années au LAAS. Le second chapitre est consacré au travail expérimental réalisé pendant ce stage sur l optimisation du banc vertical de caractérisation utilisé dans de nombreuses expériences. Dans le dernier chapitre, nous présenterons la caractérisation de VCSELs rendue possible sur ce banc de mesures. Enfin, nous conclurons sur l ensemble du travail réalisé et sur les perspectives qu il permet d ouvrir. Pour tout renseignement, cliquez 1

7 CHAPITRE I PRESENTATION DES VCSELS Depuis la découverte par Albert Einstein de l émission stimulée en 1917, les lasers et leurs applications n ont cessé de se développer. Au cours de ces dernières années, la percée la plus remarquable dans le domaine des lasers a été celle des lasers à semi-conducteurs. Les diodes lasers, dont nous expliquerons le fonctionnement dans la suite de ce chapitre, ont permis de gagner au moins un ordre de grandeur sur le rendement électrique-optique des systèmes, sur leur durée de fonctionnement sans maintenance et sur leur miniaturisation. Dans un premier temps, nous rappellerons les principes fondamentaux de l émission laser puis nous nous intéresserons au fonctionnement des lasers à semi-conducteurs. Les dernières parties de ce chapitre sont consacrées aux VCSELs réalisés au sein du laboratoire LAAS-CNRS de Toulouse. Nous aborderons enfin les différentes méthodes de fabrication des VCSELs après en avoir présenté les avantages. I.1 - GENERALITES SUR LE FONCTIONNEMENT LASER Le mot laser est l acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission Radiation et met en évidence le fonctionnement de ces oscillateurs du domaine optique où les oscillations sont observées dans le milieu amplificateur constitué d atomes ou de molécules. La réinjection en phase vers l entrée de l amplificateur d une partie du signal amplifié est assurée par une cavité jouant le rôle de circuit de réaction et de filtre à bande étroite [01]. Deux niveaux d énergie E 1 et E 2 sont couplés au rayonnement de fréquence υ = (E 2 -E 1 )/h par les processus d émission spontanée, d émission stimulée et d absorption. Il faut donc réaliser une inversion de population entre ces deux niveaux énergétiques en apportant au milieu matériel une puissance extérieure (pompage du laser). L émission induite est la base du fonctionnement laser : tous les photons sont identiques car l onde est cohérente. De plus, les lasers ont une faible largeur spectrale (monochromatisme), une forte directivité et peuvent parfois fournir de fortes intensités de puissance. Pour tout renseignement, cliquez 2

8 Pompage Miroir 1 externe Miroir 2 Zone active hυ L Figure 1 Représentation d une cavité laser. La cavité Fabry-Pérot constituée de deux miroirs réfléchissants réalise la sélection en fréquence si les interférences sont constructives. La longueur d onde d émission λ du laser dépend de la longueur de sa cavité L ainsi que de l indice du milieu amplificateur n : λ L = k ; k entier quelconque Equation (1) 2 n Il existe plusieurs types de lasers dont le principe de fonctionnement est identique mais dont la conception varie [02]. Le cas particulier des diodes lasers à semi-conducteurs concerne la plupart des lasers compacts commerciaux car leurs avantages économiques sont importants. I.2 - LASERS A SEMI-CONDUCTEURS Les premières diodes lasers furent réalisées à partir d une homojonction P-N i.e. à partir de deux matériaux dont les alliages sont identiques mais dont les dopages sont différents. A la fin des années 60 et au début des années 70, Alferov 1 et Hayashi ont démontré l intérêt d une double hétérostructure. Elle consiste à insérer entre les matériaux dopés P et N une fine couche de matériau semi-conducteur qui présente une énergie de bande interdite plus faible. Cette structure possède également l avantage de pouvoir confiner l onde optique en réalisant un guide d onde [03]. En effet, l indice de réfraction de la zone de confinement est supérieur à celui des zones dopées. Les lasers à émission par la tranche (figure 2) sont caractérisés par des faces clivées jouant le rôle de miroirs fermant la cavité (résonateurs optiques). Les photons produits dans la zone active sont réfléchis successivement par les deux miroirs plans avec un coefficient de réflexion proche de 33 % dans le cas des III-V : l indice (n~3,5) des matériaux utilisés est plus élevé que celui de l air. Le faisceau laser émis par de telles structures est de forme elliptique à cause de la forme de la face de sortie. La divergence mesurée est assez importante et constitue un des points faibles des diodes à émission par la tranche. Cet effet est dû au fait que le champ proche est très petit devant la dimension de la zone active. L ouverture angulaire θ du diagramme de rayonnement est définie suivant deux directions : θ de l ordre de 20 et θ // de l ordre de Prix Nobel de Physique en l an 2000 pour ses recherches dans ce domaine. Pour tout renseignement, cliquez 3

9 Electrode positive θ GaAs GaAlAs dopé P GaAlAs dopé N θ // Electrode négative Figure 2 Représentation simplifiée d une diode à émission par la tranche. L intégration de composants optiques dans les circuits micro-électroniques et l insertion de l optoélectronique dans le domaine du traitement de l information ouvrent de nouvelles perspectives mais nécessitent la création de nouveaux composants. I.3 - LASERS A EMISSION PAR LA SURFACE La réalisation de diodes à émission surfacique (émettant perpendiculairement au substrat) est plus récente et trois approches différentes ont été suivies pour la conception de ce type de diode [04]. La première consiste à conserver une cavité horizontale conventionnelle et à la coupler avec un déflecteur à 45. Un miroir à 45 est incorporé à l intérieur ou à l extérieur de la cavité par un procédé de gravure sèche (figure 3). Confinement P Milieu actif Miroir à 45 Confinement N Miroir à 45 Substrat Figure 3 Intégration d un miroir de renvoi. La deuxième solution envisagée utilise les propriétés des réseaux de Bragg du deuxième ordre afin de constituer une cavité à contre réaction répartie du type DFB (Distributed FeedBack) ou à réflecteurs de Bragg distribués de type DBR (Distributed Bragg Reflector). L ordre deux des réseaux procure la contre-réaction optique tandis que l ordre un réalise l émission verticale de la diode. Pour tout renseignement, cliquez 4

10 Cette cavité est constituée de trois parties distinctes : la zone de gain, semblable à celle de la diode conventionnelle, dans laquelle a lieu l amplification du rayonnement et les deux zones latérales (zones de réseau) qui jouent le rôle de miroir et de filtre fréquentiel (figure 4). Zone de réseau Zone de gain Zone de réseau Confinement P Milieu actif Confinement N Substrat Figure 4 Intégration d un réseau gravé. La dernière approche repose sur une cavité verticale délimitée par des miroirs parallèles au plan des couches. Ces diodes sont étudiées au sein du groupe Photonique, dans l équipe EMACO du LAAS- CNRS de Toulouse. L étude que nous avons menée tout au long de ce stage concerne donc ces composants que nous détaillons dans les paragraphes suivants. I.4 - DESCRIPTION DES VCSELS Les VCSELs ou Vertical Cavity Surface Emitting Lasers sont constitués d une micro-cavité verticale Fabry-Pérot dont la zone active est formée dans notre cas par plusieurs puits quantiques de GaAs (ici, au nombre de trois) entourés de barrières de Ga 0,7 Al 0,3 As (figure 5). Le but du puits quantique est de confiner les électrons dans une seule direction de l espace et de diminuer le seuil laser du composant. En effet, les niveaux énergétiques que peuvent atteindre ces porteurs sont directement définis par les dimensions du puits (cf. équation 1 du I.1). Le contrôle de la largeur de la bande interdite détermine donc la longueur d onde d émission du laser. Contrairement aux diodes classiques, les miroirs de la cavité ne sont pas réalisés par clivage des faces. On conçoit un miroir de Bragg en alternant des couches de matériaux d indices optiques différents et d épaisseur proportionnelle à λ/4. La superposition périodique de couches minces d AlAs (faible indice optique) et de Ga 1-x Al x As (indice plus fort) augmente la réflectivité des miroirs [05]. Cette réflectivité sera d autant plus grande que le nombre de périodes et le saut d indice seront élevés : elle peut atteindre 99 % à la longueur d onde de conception si on considère une vingtaine de bi-couches et un saut d indice égal à 0,5. A titre de comparaison, rappelons que le coefficient de réflectivité pour des diodes à émission par la tranche est de l ordre de 30 % (pour une face clivée). Pour tout renseignement, cliquez 5

11 GaAs Ga0,88Al0,12As λ / 4n Miroir «p» dopé Béryllium AlAs Ga0,88Al0,12As AlAs λ / 4n λ / 4n x 19 Cavité non dopée 3 puits quantiques en GaAs Ga0,7Al0,3As Ga0,7Al0,3As λ / n AlAs λ / 4n Miroir «n» dopé Silicium Ga0,88Al0,12As AlAs λ / 4n λ / 4n x 30 GaAs Figure 5 Photographie TEM d un VCSEL et détail des couches qui le composent. La condition Fabry-Pérot (cf. équation 1) fait correspondre à la longueur d onde d émission un seul pic de résonance de la cavité. Dans ces conditions, le gain du puits quantique et la réflectivité des miroirs de Bragg distribués sont accordés et conduisent à l effet laser et à un fonctionnement monomode longitudinal de la cavité. I.5 - AVANTAGES DES VCSELS Ces vingt dernières années, de nombreuses recherches ont été menées sur les VCSELs car leurs performances et leurs propriétés laissent envisager des applications très intéressantes, notamment dans le domaine des communications de données. Leurs principaux avantages par rapport aux diodes conventionnelles sont liés à leur géométrie verticale [06]. La hauteur de la cavité laser des VCSELs est de dimension relativement faible (de l ordre du micromètre) et permet l obtention d une émission monomode longitudinale. La variation de la longueur d onde en fonction des variations thermiques est souvent faible, rendant inutile l utilisation d éléments de contrôle. A titre de comparaison, la longueur d onde d un VCSEL en fonction de la température varie de 0,06 nm.k -1 tandis que dans le cas des diodes à émission par la tranche, on obtient une variation de 0,3 nm.k -1. Depuis 1989, on peut utiliser des VCSELs à température ambiante et en régime continu, sans faire appel à des dissipateurs thermiques coûteux et volumineux. Pour tout renseignement, cliquez 6

12 Le faible volume actif permet de diminuer le courant de seuil nécessaire pour obtenir l effet laser. En effet, l énergie de commande fournie à ces systèmes sous forme électrique ou optique est très inférieure à celle fournie aux diodes classiques (dizaines de milliampères). Ainsi, nous avons pu relever un courant de seuil inférieur à 200 µa dans le cas de composants à technologie AlOx de faible taille réalisés au LAAS. Le coût de fabrication d un VCSEL est relativement faible et comparable à une diode électroluminescente. Il est en effet possible de délimiter de nombreux dispositifs sous forme de barrettes ou de matrices par des technologies de fabrication collectives classiques sur une seule plaquette de semi-conducteur épitaxiée. On peut ensuite tester sous pointes chaque composant avant même la découpe et le montage sur boîtier car tous les contacts électriques sont dissociés sur la partie supérieure ou inférieure de la plaquette. Donc, il n est plus nécessaire d attendre la fin du processus de fabrication pour savoir si un élément est défaillant. Nous avons exploité cet avantage dans notre travail et nous en reparlerons dans le dernier chapitre du rapport. De plus, les formes de dispositifs envisageables peuvent être nombreuses et variées car elles sont définies par les seules étapes de la photolithographie, de la gravure ou de la métallisation. Leur faible encombrement (typiquement 50 µm de large et <10 µm de haut) autorise une densité d intégration importante, notamment dans des configurations à deux dimensions pour les applications de l imagerie, le traitement matriciel en parallèle des données ou la production de fortes puissances optiques (2,4 W pour une matrice de 1000 composants). Le faisceau laser émis perpendiculairement à la surface est symétrique, circulaire et peu divergent (~5 en angle total). Cette géométrie particulière permet le couplage direct des composants avec des lignes à transmissions optiques. Contrairement aux diodes à émission par la tranche, on s affranchit de tout système correctif (e.g. lentilles) à l entrée des fibres optiques. Enfin, des études récentes dans le laboratoire s attachent à exploiter les VCSELs à la fois comme émetteurs et comme récepteurs en changeant simplement leurs polarisations électriques. Une telle utilisation permettrait de réduire le nombre de composants dans une liaison optique bidirectionnelle. Actuellement, les longueurs d onde d émission des VCSELs les plus performants sont proches de 840 nm ou 980 nm et ne permettent pas une utilisation optimale des liaisons par fibres optiques pour les grandes distances. C est pourquoi on utilise actuellement ces VCSELs pour les réseaux locaux (LAN). Les recherches s orientent toutefois vers des longueurs d onde plus grandes (1,3 et 1,5 µm) pour diminuer les effets de dispersion et d atténuation dans les fibres optiques ainsi que pour développer des applications télécoms grand public (sécurité oculaire à 1,55 µm). Pour tout renseignement, cliquez 7

13 I.6 - EPITAXIE DES STRUCTURES Le premier stade de l élaboration des VCSELs sur GaAs à 0,85 µm concerne la croissance par épitaxie [05] par jets moléculaires (EJM) de couches minces d alliages (Ga 1-x Al x )As. Cette technique de croissance qui fait appel à la réaction et à la condensation de flux d atomes à la surface d un substrat porté à une température bien déterminée se déroule sous ultra-vide (<10-10 Torr). L arsenic (élément III As 4 ), le gallium et l aluminium (éléments V) sont introduits dans des creusets puis portés aux températures définies par l utilisateur pour obtenir le flux désiré. On porte également l échantillon à une température adaptée de l ordre de 600 C de part et d autre de la cavité. Il est nécessaire de doper différemment les deux miroirs de Bragg pour constituer une diode p-i-n. Une cellule d évaporation par dopant permet l incorporation des impuretés dopantes : du béryllium pour la zone P et du silicium pour la partie N. Le dopage des réflecteurs requiert une attention particulière car il doit être assez élevé pour assurer une bonne conduction électrique malgré les hétérojonctions successives formant des barrières de potentiel pour les porteurs. Toutefois, ce dopage doit rester faible pour éviter les pertes optiques par absorption. Les vitesses de croissance sont relativement faibles et permettent un contrôle plus facile de la croissance : 0,1 à 1 µm.h -1 soit environ une nanocouche par seconde. L alternance périodique des matériaux ayant des indices différents constitue les miroirs. L épaisseur de ces couches étant très faible (~ 60 nm), il est nécessaire de changer rapidement le matériau à déposer. Cette fonction est effectuée par des caches automatisés placés devant chaque cellule d évaporation. L épitaxie est essentielle dans le déroulement du processus de fabrication des VCSELs puisqu elle définit sa géométrie verticale. Une variation de l épaisseur des couches par rapport à la valeur recherchée peut générer des variations sur la longueur d onde d émission effective du laser et sur ses performances. Il est donc impératif de respecter la condition de Fabry-Pérot pour obtenir un fonctionnement optimal du laser. Il faut donc contrôler l homogénéité et l épaisseur de chaque couche sur plus de 100 périodes (soit 12 heures d épitaxie). Une technique basée sur le contrôle optique en temps réel a été mise au point par le groupe Epitaxie, MAtériaux et Composants pour l Optoélectectronique (EMACO) du LAAS-CNRS de Toulouse pour résoudre ce problème de contrôle. Dans un second temps, la structure verticale épitaxiée est processée pour fabriquer les barrettes de VCSELs. Les techniques utilisées sont des techniques développées classiquement pour les composants microélectroniques. Pour tout renseignement, cliquez 8

14 I.7 - FABRICATION TECHNOLOGIQUE DES VCSELS L équipe Photonique du LAAS-CNRS de Toulouse conçoit et caractérise des VCSELs dont la fabrication technologique peut différer en fonction des applications recherchées. Pour réaliser le confinement latéral des porteurs, deux techniques principales sont utilisées : la structure à mesa et le confinement par couche oxydée (AlOx). I TECHNOLOGIE MESA Nous allons décrire les différentes étapes technologiques [07] mises en jeu. La première opération à effectuer consiste à métalliser la face arrière du substrat (figure 7a) par pulvérisation cathodique d AuGe, de Ni puis d Au. Ce contact servira de cathode aux futurs composants. Par photolithographie, des plots de résine positive sont ensuite déposés sur la surface épitaxiée (figure 7b). Ces derniers serviront de masques à la Gravure Ionique Réactive (GIR) utilisant du SiCl 4 comme gaz d attaque. La totalité du miroir supérieur non masqué est alors gravée pour former des mesas (figure 7c) mais l étape délicate consiste à s arrêter assez loin des puits quantiques de la cavité tout en évitant de stopper la gravure dans une couche d AlAs (oxydation rapide après exposition à l air de l échantillon). Un contrôle en temps réel de l épaisseur attaquée a été développé au sein du LAAS- CNRS. La réflectométrie laser monochromatique (633 nm) est décrite sur la figure suivante. Diode laser PhD = photodiode PhD Ampli Passe bas Bâti de gravure de l échantillon Enregistreur Figure 6 Principe du contrôle optique de la gravure. Pour tout renseignement, cliquez 9

15 Une première métallisation annulaire sur la face avant est ensuite réalisée par une procédure de lift off, ce qui permet de définir les électrodes pour l injection du courant dans la diode : des plots de résine négative sont déposés et le métal Ti/Au est pulvérisé sur toute la surface de l échantillon (figure 7d). En présence d acétone chaud et d ultrasons, le lift off révèle ensuite les motifs de métallisation. Après un recuit rapide de l échantillon (cf. ohmicité des contacts), on dépose à la tournette du polymère BCB (Benzo-Cyclo-Butène). Ce dernier a pour but de planariser la surface tout en isolant les mesas les uns des autres et du bas du mesa avant la métallisation finale. Pour achever cette étape, on recuit le BCB à 210 C sous un flux d azote (figure 7e) avant d effectuer une ouverture sur la surface d émission laser (figure 7f). La dernière opération (figure 7g) réalise le dépôt du métal final (connecteurs pour soudure) par une nouvelle procédure de lift off. Résine Ti/Au Substrat a) Métallisation face arrière b) Photolithographie c) GIR CF 4 O 2 d) Dépôt de métal BCB e) Dépôt de BCB f) Ouverture de la surface g) Dépôt du métal final Figure 7 Opérations technologiques pour la fabrication des VCSELs à mesa. Cette technologie autorise la fabrication de composants possédant un diamètre d émission assez important et répond à l application visée pour l étude des solitons de cavité. Pour d autres applications, il est parfois intéressant de diminuer la taille de la zone d émission laser des VCSELs en appliquant d autres procédures. Ainsi, l implantation de protons dans la structure a pour avantage de confiner le courant dans le premier mesa. Toutefois, cette méthode détériore les propriétés optiques et thermiques en introduisant des défauts non homogènes. Une deuxième alternative a été développée au laboratoire, elle consiste à introduire un diaphragme d oxyde enterré dans la structure du VCSEL. Nous développons cette approche dans le paragraphe suivant. Pour tout renseignement, cliquez 10

16 I TECHNOLOGIE ALOX Cette technologie s appuie sur la technologie mesa avec une étape supplémentaire : le fait d enterrer un diaphragme d oxyde entre l étape de gravure (figure 7c) et l étape de métallisation (figure 7d) permet de recentrer les lignes de courant au centre du mesa et de réduire considérablement le courant de seuil du composant. On améliore aussi le confinement électrique à l intérieur de la structure ainsi que le confinement optique en diminuant la divergence du faisceau laser. Les étapes supplémentaires à celles imposées pour la fabrication sans diaphragme se situent donc après la gravure GIR que l on arrête avant la dernière période. L échantillon est ensuite recuit rapidement pendant 30 secondes à 650 C au moyen d un four de recuit rapide pour bloquer l oxyde natif présent sur les flans et éviter l oxydation ultérieure de ces 19 périodes du miroir supérieur mises à l air (figure 8a). H 2O + N 2H 2 Diaphragme d oxyde a) GIR puis blocage b) Oxydation de la dernière rapide d oxyde couche après GIR Figure 8 Opérations technologiques pour la fabrication des VCSELs à diaphragme d oxyde enterré. L échantillon subit ensuite une deuxième GIR sur un diamètre plus élevé pour mettre à nu la dernière couche d AlAs du miroir supérieur. En introduisant la plaquette dans le four d oxydation dont nous décrivons le fonctionnement dans la figure 9, on procède ensuite à l oxydation latérale de cette dernière couche (figure 8b). La durée d exposition dans le four détermine le diamètre du diaphragme d oxyde. La suite de la fabrication est ensuite identique à celle de la technologie mesa i.e. on reprend le procédé à partir du dépôt du premier métal (figure 7d). Pour tout renseignement, cliquez 11

17 N 2H 2 N 2H 2 Electrovanne Echantillon Evacuation Ruban chauffant Thermocouple Thermomètre Eau désionisée Figure 9 Description du fonctionnement du four d oxydation humide. Nous allons maintenant présenter le banc expérimental sur lequel nous avons mené l ensemble des caractérisations relatives à ces dispositifs (Chapitre II). Dans le troisième chapitre, nous étudierons l influence de certains paramètres sur le comportement des VCSELs et en particulier l évolution du diamètre d oxyde en fonction du rayon du mesa et nous expliquerons les phénomènes physiques mis en jeu lors de l oxydation. La caractérisation optique et électrique des composants permettra de valider ou de remettre en cause les procédures technologiques décrites ci-dessus. Pour tout renseignement, cliquez 12

18 CHAPITRE II BANC DE CARACTERISATION DES VCSELS TRAVAIL REALISE La caractérisation des VCSELs développés au LAAS-CNRS nécessite une approche particulière puisqu elle doit permettre de travailler avec des composants qui sont en cours de fabrication technologique et qu il faut donc tester sous pointes. Dans un premier temps, nous avons amélioré le banc de mesure tout en respectant les contraintes liées aux nombreuses expériences qu il permet de réaliser. Puis, nous avons caractérisé les lasers à cavité verticale à l aide d un programme développé sous Visual Basic. L automatisation des mesures nous a permis de comparer les différents procédés de fabrication et d améliorer la caractérisation des composants. II.1 - BANC VERTICAL DE MESURE DU LAAS-CNRS II.1.1 DESCRIPTION DU BANC EXISTANT La géométrie du banc de mesure est déterminée par la structure originale des composants à caractériser ainsi que par le type de mesures à réaliser : la combinaison des mesures électriques, optiques et spectrales constitue la principale contrainte. C est pourquoi, il n est pas envisageable de caractériser nos composants à l aide de systèmes globaux existants dans le commerce. L émission surfacique du faisceau laser associée au test de composants sous pointe impose une disposition verticale des éléments et non horizontale comme sur la plupart des bancs de mesure. Ainsi, la possibilité de caractérisation sous pointes nous affranchit des problèmes liés à la découpe de l échantillon et au montage des composants sur boîtier (matrices de nombreux composants sur une même plaquette). Nous avons dans un premier temps utilisé le banc expérimental existant [08] (figure 10). La plaquette à tester est d abord collée sur le support à échantillon à l aide d une goutte de laque d argent. La métallisation de la face arrière des VCSELs est donc reliée à la masse de notre alimentation en courant. Pour polariser nos composants en direct, une micropointe (anode) est déposée sur les plots de contact de la face avant. Le positionnement exact de la pointe est assuré par une table XYZ micrométrique. Pour tout renseignement, cliquez 13

19 Cette opération s effectue sous contrôle vidéo : une caméra CCD sensible au visible et au proche infrarouge est installée sur le banc. Les images sont retransmises sur un écran ou envoyées à l ordinateur pour traitement via une carte d acquisition vidéo. On remarquera cependant que si la pointe est retirée du banc et si le socle conducteur est remplacé par un circuit imprimé autorisant le brochage de boîtiers, on peut analyser directement des VCSELs déjà montés, ce qui ouvre les possibilités du banc à la caractérisation par exemple de composants divers non fabriqués au LAAS. Figure 10 Ancien banc de mesure. Pour réaliser l observation de la plaque d échantillons et positionner avec précision la pointe, on utilise une source de lumière blanche non cohérente qui, par le biais d une fibre, est amenée sur une lame semi-réfléchissante pour être ensuite renvoyée vers l échantillon. La seconde lame semiréfléchissante permet d orienter l image réfléchie par le composant vers la caméra. Un choix judicieux entre le grossissement de l objectif (x20) et la focale de la lentille (f lens = 175 mm) en amont de la caméra permet d observer précisément les motifs de l échantillon. Le grossissement ne doit pas être trop important pour permettre d identifier le composant sur la plaquette (~50 µm), mais suffisamment pour discerner les plots de contact. Le premier objectif est monté sur une table Z pour autoriser un réglage de la focale en champ proche. Il est également possible d étudier les modes d émission du laser en défocalisant l objectif pour observer le champ lointain. La puissance optique émise par les VCSELs se mesure grâce à un photodétecteur en silicium dont on connaît la réponse en fonction de la longueur d onde d excitation (figure 11). La diode, polarisée par un générateur de tension, est placée devant la caméra. On suppose ainsi que le signal détecté est celui observé sur la CCD. Pour tout renseignement, cliquez 14

20 Figure 11 Réponse du détecteur en silicium. II.1.2 AMELIORATIONS DU BANC DE CARACTERISATION Nous avons par la suite amélioré le montage optique pour collecter d avantage de signal sur les détecteurs (figure 12). Pour éviter les pertes optiques, nous plaçons la diode sur le même axe que celui du faisceau laser (en transmission et pas en réflexion au passage des lames semi-réfléchissantes). Le deuxième objectif (x20) identique au premier permet de focaliser le faisceau laser sur la surface collectrice du photodétecteur. L alimentation en courant permet de polariser la diode en Silicium pour améliorer son temps de réponse. L information sur le signal détecté est alors traitée par l alimentation avant d être transmise à l ordinateur. Source lumineuse Ecran de contrôle x20 Photodiode Si Lames semiréfléchissantes Lentille de focalisation CCD Eclairage Deuxième pointe Figure 12 Nouveau banc de mesure, après optimisation du chemin optique. Pour tout renseignement, cliquez 15

21 Une deuxième micropointe a été ajoutée pour permettre l étude simultanée de deux composants : par exemple, on peut alimenter un VCSEL à l aide de la première pointe et observer la tension aux bornes d un composant voisin grâce à la deuxième pointe. Ce banc de mesure permet notamment une étude de la puissance optique et de la tension aux bornes des VCSELs en fonction du courant injecté en mode continu ou en mode pulsé. Dans ce dernier cas, nous avons veillé à diminuer la longueur des câbles électriques (<20 cm) pour éviter les réflexions parasites sur les différents connecteurs. Tous les fils (courant d injection et mesure) sont isolés par une gaine reliée à la masse pour empêcher toute influence de l environnement. Le montage expérimental décrit ci-dessus ne serait pas complet sans la présentation détaillée de toutes les expériences que l on peut mettre en œuvre. L optimisation du banc vertical respecte la compatibilité de toutes les expériences déjà existantes. Certaines d entre elles ont également été améliorées ou simplifiées. II.2 - CARACTERISATIONS POSSIBLES On distingue plusieurs orientations dans la caractérisation des composants opto-électroniques. Des études optiques permettent d étudier la forme de l onde émise par le laser et de déterminer sa longueur d onde d émission. Une approche purement électrique est également intéressante puisqu elle permet d approfondir le fonctionnement du composant (résistances de contact, seuil d émission laser ). Le banc vertical permet toutes ces caractérisations sans que l opérateur n est à modifier en profondeur le montage. II.2.1 CHAMP PROCHE ET CHAMP LOINTAIN CHAMP PROCHE Le banc de caractérisation permet d imager facilement le champ proche et le champ lointain de l émission de nos VCSELs [09] (caractérisation de l onde). En effet, l objectif x20 collimate le faisceau issu du VCSEL quand sa surface émettrice se situe très exactement à la distance de travail de l entrée de l objectif (champ proche). L objet que nous souhaitons imager est grossi par le jeu des lentilles d un rapport γ = f lens / f obj avec f lens la focale de la lentille précédent la caméra CCD et f obj la distance focale de l objectif x20 (10 mm dans notre cas). La mesure de l image sur l écran vidéo ou via la carte d acquisition du PC nous donne une mesure directe de l objet en champ proche. Pour tout renseignement, cliquez 16

22 Plaquette VCSEL f obj Objectif x20 Axe optique ~50 µm Figure 13 Configuration et images du champ proche. CHAMP LOINTAIN Le champ lointain est défini comme étant la diffraction à l infini du champ proche. Pour l imager, il est nécessaire de trouver la zone de Fraunhofer mais cette dernière n est pas déterminée théoriquement dans le cas des VCSELs multimodes. Il existe un nombre élevé de paramètres ayant une incidence sur la complexité modale d émission laser des VCSELs. Pour trouver la zone de diffraction, nous nous basons sur un critère purement expérimental en procédant à la translation du foyer objet de notre système optique depuis la zone de champ proche. Pour différentes positions Z du foyer, nous suivons l évolution spatiale (grâce au capteur CCD) de la propagation de l onde. Le fait de translater le foyer objet au-delà d une certaine distance Z n affecte plus la morphologie de l image de diffraction, seule sa taille grandit. C est cette caractéristique qui définit notre critère expérimental et qui nous permet de dire que nous sommes bien en champ lointain. On le repère donc quand l aspect de l image de diffraction ne change plus. Z f obj Objectif x20 en translation Axe optique Plaquette VCSEL d émission laser Figure 14 Configuration et image du champ lointain. Pour tout renseignement, cliquez 17

23 II.2.2 CARACTERISTIQUES L.I.V. La mesure de la puissance optique émise L (Light) en fonction du courant injecté constitue une suite logique à l étude de nos VCSELs. Parallèlement, on peut également mesurer la tension V aux bornes des composants pour caractériser leur comportement électrique. Nous avons contribué à l amélioration de la procédure de mesure afin de diminuer significativement les temps d acquisition. II DESCRIPTION DE L EXPERIENCE La première version du banc vertical [08] (figure 10) permettait déjà de réaliser la mesure de la tension, du courant et de la puissance optique émise par les VCSELs mais cette opération était effectuée à partir d une source en tension non programmable. La puissance optique émise était mesurée grâce à un mesureur de puissance ou power-meter étalonné à la longueur d onde visée pour ces composants (840 nm). Pour éviter les pertes, la cellule détectrice était placée sur le support de l objectif x20 situé juste au-dessus de l échantillon. L ensemble des données étaient donc relevées à la main, ce qui était extrêmement fastidieux, notamment dans le cas des tests statistiques de bon fonctionnement, en cours de process. Les temps de mesure trop importants représentent un inconvénient majeur dans l utilisation de cette méthode. En effet, si on alimente un VCSEL en continu au-dessus de son seuil laser, on l échauffe en dissipant de la chaleur par effet Joules. Les indices des différents milieux constituants les miroirs de Bragg sont alors modifiés. La cavité Fabry-Perrot n a plus les mêmes caractéristiques par rapport à la situation initiale et le faisceau laser s en trouve modifié : la longueur d onde d émission du laser varie et la puissance optique sature plus rapidement. Dans le cas idéal, il serait donc intéressant de travailler en régime pulsé avec des temps de répétition assez grands pour éviter tout échauffement de la structure. II MISE EN PLACE DE MESURES AUTOMATISEES Pendant mon stage, j ai développé un programme en Visual Basic permettant de caractériser automatiquement les VCSELs. Le capteur de puissance ou power-meter a été remplacé par une photodiode en silicium et l alimentation en tension a été abandonnée au profit d une alimentation en courant programmable (continu ou pulsé). Ce dernier choix a été fait par rapport aux grandeurs physiques réellement mises en jeu. En effet, la caractéristique essentielle pour l étude optique ou électrique du composant est le courant injecté. Nous verrons par la suite que la mise en place de cette nouvelle mesure permet de s affranchir de certains problèmes et que la précision sur les mesures est accrue. Pour tout renseignement, cliquez 18

24 Dans un premier temps, nous avons réalisé des mesures «rapides» en continu grâce à une alimentation programmable puis, nous avons comparé les résultats avec les anciennes expériences. Enfin, nous avons tenté de développer un code pour travailler en mode pulsé avec la même source en courant. L offset en courant de la source est le critère essentiel qui nous a permis de choisir l alimentation parmi tous les appareils disponibles sur le marché. Certains de nos VCSELs possèdent un seuil laser très faible (I th min = 192 µa) que nous ne souhaitons pas dépasser. Pour prendre en compte l évolution future de nos composants, nous avons fixé à 100 µa la valeur minimale du courant. Après une recherche exhaustive (cf. Annexe 1), seules deux sources semblent correspondre à ces conditions : le tiroir PRO8002 chez Profile et le modèle Keithley Nous avons testé les deux appareils pour vérifier leurs performances en continu et en pulsé. ALIMENTATION PROFILE PRO8002 L alimentation proposée par Profile a été utilisée pour développer le code du programme d acquisition (cf. description du programme dans l annexe 2). Les résultats obtenus en continu sont satisfaisants puisqu il est désormais possible de tracer les caractéristiques optiques et électriques en temps réel avec une très grande précision. Le courant d offset que nous avons mesuré n est que de 10 µa sur une gamme en courant pouvant aller jusqu à 200 ma. L échelle de montée en courant est paramétrable et assez rapide : on dépasse rarement deux minutes par acquisition et en pleine résolution (à rapprocher des 5 minutes de l ancienne opération). L effet Joule est toujours présent mais ses conséquences sur la structure sont moindres. On observe bien la saturation de la puissance optique émise pour des courants injectés qui demeurent faibles. Sur la plaquette E511 f1 (VCSEL à diaphragme d oxyde de l ordre de 20 µm), nous avons relevé une saturation de la puissance pour des courants voisins de 20 ma (figure 15). Cette première source en courant possède néanmoins des limitations qui n apparaissent pas lors de la caractérisation de composants de petites tailles (technologie AlOx). Ainsi, il est impossible de travailler au-delà de 200 ma avec des VCSELs qui ont une grande surface d émission (cf. Chapitre III). Le deuxième inconvénient réside dans la mesure de la tension aux bornes des composants. L alimentation PRO8002 étant un générateur idéal de courant, elle peut délivrer une tension quelconque aux bornes des composants. Toutefois, le tiroir est bridé à 1 W électrique et nous limite à une mesure maximale de la tension de 5 V. Pour tout renseignement, cliquez 19

25 Figure 15 Puissance optique et tension aux bornes du VCSEL E511 f1 CIII 12, courbes réalisées avec l alimentation PRO8002 en régime continu. Les tests effectués sur cette même alimentation en mode pulsé non pas été très concluants. En effet, pour limiter l échauffement de la structure, nous préconisons des pulses de 500 ns avec des taux de répétitions supérieurs à la microseconde. A l aide d un générateur de pulses, nous avons appliqué un signal TTL sur l entrée auxiliaire ou «trigger externe» du tiroir PRO8002 pour simuler des pulses de courant. Nos exigences sur la rapidité du temps de montée et sur la valeur du rapport cyclique ne sont pas compatibles avec le modèle PRO8002. Il est donc impossible d effectuer du «pulsé» avec cette source en courant en se plaçant dans nos conditions. En augmentant la durée des pulses telle que t pulse / t répétition 50 %, nous avons bien obtenu le début d un comportement pulsé (décalage du seuil laser et pente de la puissance optique parallèle à celle du continu) mais l échauffement de la structure est inévitable. La courbe du mode pulsé rejoint rapidement la courbe du mode continu après le seuil. Cette source a été renvoyée au fournisseur pour la modification de la tension maximale et l étude du problème du régime impulsionnel, sur la base des tests que nous avons réalisés. ALIMENTATION KEITHLEY 2520 Nous avons également testé l alimentation Keithley 2520 qui permet de travailler sur deux gammes de courant (0-500 ma et 0-5 A) et de mesurer une tension jusqu à 20 V. La génération de signaux pulsés est réalisable en interne i.e. sans utiliser de générateur de pulses. Cette alimentation se compose de deux éléments : le panneau de commande (possibilités de connexions sur un port GPIB) et le module d alimentation. Pour tout renseignement, cliquez 20

26 En effet, pour diminuer les effets parasites tels que la réflexion dans les connecteurs ou l influence de l environnement sur les câbles électriques, il est impératif de placer l alimentation à côté du banc optique. En diminuant la longueur des câbles puis en les isolant dans des gaines reliées à la masse, on s affranchit des problèmes de dissymétrie des pulses et des phénomènes de rebonds. La figure 16 illustre la forme des pulses générés par cette source : la descente en courant est volontairement plus lente que la montée pour éviter les effets d oscillation et le changement brutal du sens du courant dans le composant. Conditions Durée 1 µs Amplitude 300 ma 20 cm de câbles Figure 16 Exemple de pulse obtenu avec la source Keithley. Une première expérience de contrôle nous a permis de déterminer l offset en courant de l alimentation Keithley Ce dernier est de 150 µa en mode continu et ne permet pas une étude approfondie de nos composants de petite taille : les VCSELs sont déjà luminescents pour un courant théorique de zéro ampère. La source doit donc être calibrée une nouvelle fois par le constructeur pour respecter notre cahier des charges. Les tests seront ensuite poursuivis par l équipe dès le retour de la source. Quoiqu il en soit, nous avons élaboré un programme d acquisition compatible avec les deux types d alimentation. PROGRAMME D ACQUISITION DES DONNEES Le programme d acquisition permet de tracer en temps réel la puissance optique émise par un VCSEL ou P(I) ainsi que la tension à ses bornes ou V(I). Les données sont enregistrées dans des fichiers au format texte pour de futurs traitements. Un certains nombre d options sont également disponibles afin d améliorer les conditions de l expérience (figure 17). Pour tout renseignement, cliquez 21

27 Figure 17 Possibilités offertes par le programme d acquisition : détermination du courant de seuil laser en et d un saut de mode en (E511 f1 C III 12). Le courant de seuil laser est un point important dans la caractérisation des VCSELs car il permet de savoir à partir de quel moment l émission stimulée est prépondérante sur l émission spontanée. La valeur de ce courant peut être obtenue à partir de deux approches différentes. La première est certainement la plus facile à mettre en œuvre. Elle consiste à trouver le point d intersection entre le régime de photoluminescence et le régime laser. Pour mener à bien cette méthode, il est indispensable de solliciter l intervention de l opérateur pour définir les limites inférieures et supérieures (en courant) de chacun des régimes. Nous avons mis en place cette technique mais les mesures sont parfois trop approximatives : en ajoutant ou en retirant un point expérimental, nous obtenons des seuils différents. Pour pallier ce problème, nous avons réfléchi à une autre méthode dont le principal avantage est son fonctionnement en temps réel. Pendant toute la durée de l acquisition, nous moyennons les valeurs expérimentales de la puissance optique sur un nombre de points paramétrables puis, nous en calculons la dérivée seconde. L apparition du seuil (changement brusque de la pente) se traduit par une valeur maximale de la dérivée seconde. Les autres extremums qui sont visibles dans l encadré de la figure 17 représentent des phénomènes physiques tels que les sauts de mode ou la saturation de la puissance optique. Cet outil nous donne la valeur des courants de seuil avec une très grande précision (reproductibilité de la mesure). L ensemble de ces résultats a été validé par comparaison avec les anciennes expériences. Sur la figure 17, nous avons représenté les données enregistrée via notre programme d acquisition et les données issues de l expérience manuelle. Cette dernière s avère peut précise, notamment dans la zone située après le seuil. Pour tout renseignement, cliquez 22

28 5.0mW 5 V 4.5mW 4.0mW 4 V 3.5mW Tension 3 V 2 V 1 V Tension (manuelle) Tension (auto) Puissance optique (manuelle) Puissance optique (auto) 3.0mW 2.5mW 2.0mW 1.5mW 1.0mW Puissance optique 500.0µW 0 V VCSEL C IV 4 0.0W -2.0mA 0.0A 2.0mA 4.0mA 6.0mA 8.0mA 10.0mA 12.0mA 14.0mA 16.0mA 18.0mA Courant µW Figure 18 Comparaison des résultats obtenus après modification du banc et automatisation de la mesure. II.2.3 ANALYSES SPECTRALES Deux études complémentaires sont possibles pour caractériser finement nos composants : le spectre en émission nous renseigne sur la longueur d onde d émission du laser tandis que la mesure de la réflectivité nous donne accès à l uniformité de la longueur d onde d émission des VCSELs sur la totalité de la plaquette. II SPECTRE D EMISSION Pour connaître exactement la longueur d onde d émission des composants, nous remplaçons la photodiode par une fibre optique multimode à saut d indice reliée à l entrée d un monochromateur. Le monochromateur ou spectromètre optique permet de sélectionner une radiation monochromatique par le biais d un réseau (figure 19). La rotation de ce réseau réalise un balayage en longueur d onde permettant d obtenir le spectre d émission de l échantillon. La lumière émise par le composant est amenée par la fibre sur la fente d entrée du monochromateur. Un miroir collecteur recueille ce faisceau divergent et le transforme en faisceau parallèle qui va éclairer le réseau. Un miroir focalisateur récolte les faisceaux parallèles diffractés par le réseau et les fait converger dans la fente de sortie. En effectuant une rotation du réseau à l aide d un moteur pas à pas, on fait défiler le spectre devant la fente de sortie derrière laquelle on place un détecteur [10]. Pour tout renseignement, cliquez 23

29 (a) Fente de sortie Miroir de sortie Réseau Miroir d entrée Miroirs sphériques Fente d entrée Fibre optique provenant du banc de caractérisation (b) Figure 19 (a) Montage expérimental pour l analyse spectrale et (b) spectre d émission d un VCSEL bénéficiant de la technologie AlOx. Que ce soit en régime impulsionnel ou continu, il est possible de réaliser une détection synchrone du signal et donc de soustraire le bruit environnant. Lorsqu on injecte dans le composant du courant continu, on place sur le trajet optique un hacheur optique ou chopper dont la fréquence de rotation est prise comme référence au niveau de la détection synchrone. Si on injecte un courant impulsionnel, on relie directement le signal de synchronisation externe du générateur à la détection synchrone. L acquisition des signaux et le stockage des résultats sont réalisés grâce à un ordinateur qui permet de gérer les différents paramètres (vitesse de balayage, fréquence d acquisition ). Pour tout renseignement, cliquez 24

30 II CARTOGRAPHIE ET MESURE DE LA REFLECTIVITE DESCRIPTION DU PRINCIPE Les échantillons, une fois la plaquette épitaxiée, subissent avant toute opération technologique une mesure sur un rayon du spectre de réflectivité. Cette mesure optique permet de vérifier si la géométrie de la structure est en bon accord avec la structure visée et d évaluer l uniformité sur la plaquette (longueur d onde d émission). Jusqu à présent, cette caractérisation monopolisait le monochromateur qui est un outil central pour les études de l équipe : une source de lumière blanche était placée à l entrée tandis que l échantillon était disposé en sortie du spectromètre. La photodiode, reliée à une détection synchrone, permettait d analyser le signal issu de l échantillon (figure 20). Echantillon en cours de test Lumière blanche Figure 20 Ancien montage expérimental pour l étude de la réflectivité. SPECTRE DE REFLECTIVITE SUR BANC OPTIQUE VERTICAL Pour limiter l utilisation du monochromateur et améliorer la qualité du montage expérimental (facilités d utilisation), nous avons proposé de développer une nouvelle méthode pour caractériser l uniformité, en cartographie, de nos échantillons. L adaptation du banc vertical rend possible cette mesure sans utiliser le spectromètre optique (figure 21). Il est avantageusement remplacé par le laser accordable en longueur d onde piloté via un ordinateur. L échantillon est dans ce cas posé à l horizontale et ne nécessite pas de montage particulier contrairement à la première version de l expérience. Pour tout renseignement, cliquez 25

31 Laser Argon-ion Armoire de commande PC (~2 Watts) Fibre optique Laser Ti : Saphir Objectif x20 Diode Silicium Chopper accordable en longueur d onde Lyot motorisé Echantillon en cours de test x20 Détection synchrone Figure 21 Mesures directe de la réflectivité sur le banc vertical. X Y Le nouveau montage expérimental (figure 21) fait appel à un laser à Argon pour pomper un laser Ti : Saphir accordable en longueur d onde entre 740 et 900 nanomètres. Un moteur pas à pas pilote un filtre de Lyot 2 par l intermédiaire d une vis micrométrique et permet de sélectionner la longueur d onde d étude. La commande du moteur s effectue manuellement par une interface série (armoire de commande) ou directement depuis un ordinateur. Deux conversions successives sont nécessaires pour remonter à la longueur d onde effective du laser puisque nous travaillons en «Lyot» (graduations de la vis micrométrique) et en nombre de pas (par rapport au moteur). Nous avons pu vérifier qu une graduation «Lyot» équivaut à pas. Un étalonnage en longueur d onde nous permet alors de trouver la relation linéaire entre les graduations en «Lyot» et les longueurs d onde d émission : λ (nm) = 25,039 x Graduation en Lyot + 745,141 Equation (2) 2 Bernard Lyot ( ) : astrophysicien ayant inventé en 1933 le filtre polarisant pour isoler des raies dans un spectre et en 1935 le coronographe de l Observatoire du Pic du Midi (première éclipse artificielle du Soleil). Pour tout renseignement, cliquez 26

32 Longueur d'onde (nm) Graduations en Lyot Figure 17 Courbe expérimentale de l étalonnage du Lyot (18/02/2002). En sortie du laser Ti : Saphir, nous avons placé un hacheur optique ou chopper qui sert de référence pour la détection synchrone. Le faisceau est ensuite transmis via une fibre optique multimode jusqu au banc de mesure où il se réfléchit sur l échantillon avant d être détecté par une photodiode en silicium. Le signal ainsi obtenu est analysé par un logiciel qui trace l évolution du spectre de la réflectivité (cf. description du programme dans l annexe 3). En déplaçant la table XY sur laquelle est posé l échantillon épitaxié, on cartographie l ensemble de la surface (figure 18) et on en déduit son uniformité. Centre Centre + 2.5mm Centre + 5mm Centre + 7.5mm Intensité (u.a.) Centre + 10mm Centre mm Centre + 15mm Centre mm Centre + 20mm Centre mm Longueur d'onde (nm) Figure 18 Spectres de réflectivité mesurés sur la plaquette VCSEL 585 pour différentes positions radiales. Pour tout renseignement, cliquez 27

33 II.3 CONCLUSION Une grande partie du stage a donc été consacrée à l amélioration du banc de caractérisation. Les nombreuses contraintes liées à la complexité des différentes expériences ont toutes été respectées. La première étude que nous avons menée consistait à adapter le banc vertical pour analyser le spectre de réflectivité des échantillons épitaxiés. Puis, nous nous sommes intéressés aux expériences à mettre en place pour caractériser nos VCSELs. Les outils d étude étant maintenant développés et validés, nous allons présenter dans le troisième chapitre l analyse de composants que nous avons menée dont la fabrication technologique diffère en fonction des applications. Pour tout renseignement, cliquez 28

34 CHAPITRE III ANALYSE DE COMPOSANTS TRAVAIL REALISE La dernière partie du stage a été consacrée à l analyse de composants VCSELs réalisés par l équipe EMACO du groupe Photonique du LAAS-CNRS à l aide du banc de caractérisation que nous venons de décrire et d optimiser. Plusieurs études ont été menées en étroite relation avec les actuelles recherches du laboratoire sur plusieurs séries de VCSELs dont les méthodes de fabrication sont différentes. Pour les éléments de zone active de faible taille (technologie AlOx), nous avons en particulier étudié le phénomène d oxydation latérale en mesurant la longueur effectivement oxydée en fonction de la géométrie de départ. Nous avons également étudié les propriétés de cet oxyde : ses propriétés d isolation, son influence sur le courant de seuil. Puis, nous avons comparé les résultats expérimentaux (électrique et optique) obtenus avec ces composants et avec des composants de plus grande taille qui ne bénéficient pas de la technologie AlOx. Enfin, nous avons étudié des VCSELs moins conventionnels tels que les VCSELs en forme de bande allongée dont les applications pourraient être intéressantes pour le contrôle de solitons de cavité (mémoires optiques). III.1 VCSELS A DIAPHRAGME D OXYDE Comme nous l avons déjà évoqué dans le premier chapitre, la technologie AlOx présente le principal avantage de confiner le courant électrique au centre de la structure mesa, évitant ainsi les pertes. C est le diaphragme d oxyde qui fixe également la taille finale de la zone d émission et qui permet de réaliser des VCSELs monomodes. Ils sont nécessaires dans de nombreux projets dans lesquels l équipe est impliquée : émission-détection duale et interconnexions optiques (ONERA-CNES), microscope miniature SNOM (LOPMD) Il est donc important de pouvoir maîtriser avec précision le diamètre du diaphragme d oxyde et donc la longueur d oxydation latérale de la dernière couche d AlAs dans nos VCSELs. De nombreux travaux ont été publiés [11],[12],[13] sur le phénomène d oxydation et sur sa durée optimale. Pour tout renseignement, cliquez 29

35 III.1.1 ETUDE DE LA CINETIQUE D OXYDATION Le temps d oxydation effectif de l échantillon dans le four résulte de deux phénomènes : le temps de diffusion du réactif à l interface oxyde/semiconducteur et la durée de la réaction à cette même interface. t oxydation = t diffusion + t réaction Equation (3) 100 asymptote de la vitesse de réaction... asymptote de la vitesse de diffusion X0 / (A/2) [µm/µm] ,1 T ox = 356 C T ox = 380 C T ox = 418 C T ox = 468 C T ox = 518 C 0,01 0, t / (A 2 /4AB) [1/µm] Figure 19 Evolution de la vitesse d oxydation avec le temps, pour différentes températures d oxydation ou T ox. En théorie, le temps de réaction dépend de la concentration des molécules oxydées et du volume d oxyde. Le temps de diffusion est proportionnel à la concentration initiale en particules oxydantes. Suivant la durée de l oxydation, on se trouve dans un régime contrôlé par la vitesse de réaction (L ox < 35 µm) ou dans un régime contrôlé par la vitesse de diffusion (L ox > 35 µm). Ce dernier régime s est avéré très dépendant de l état de surface du flanc initial et donc très peu reproductible. Nous nous sommes donc limités au premier régime. III.1.2 INFLUENCE DE LA FORME DES MESAS L étude que nous avons menée concerne l influence du diamètre du mesa supérieur sur la longueur de l oxydation pour des VCSELs de géométrie cylindrique. Sur la plaquette considérée (échantillon numéro E511 f1), sont prévues des zones de test où les mesas ont des rayons divers compris entre 25 et 35 µm. En utilisant le banc vertical et en imageant le champ proche des composants, nous avons mesuré la longueur d oxydation en fonction de la taille du mesa. Pour tout renseignement, cliquez 30

36 Cette dernière est présumée linéaire et constante pour tous les rayons de mesa étudiés (figure 23). Des études ont montré que la relation n est plus linéaire dans des composants dont le rayon du mesa est inférieur à 20 µm. En effet, dans le cas d une géométrie cylindrique de faible taille, l effet de forme est prépondérant : la dimension du front d oxydation diminue et la vitesse d oxydation de l AlAs est plus rapide pour des rayons de mesa faibles (inférieurs à 20 µm). En effet, l oxydation partant de l extérieur vers l intérieur du mesa, la longueur du front d oxydation diminue donc avec le temps. Dans ces conditions, le taux d oxydation augmente rapidement. La relation qui relie le temps d exposition de l échantillon et la longueur d oxydation n est donc pas linéaire. 0,15 Vitesse d'oxydation (µm/min) 0,14 0,13 0,12 0,11 T ox = 350 C 0, Rayon du mésa oxydé (µm) Figure 20 Vitesse d oxydation de mesa circulaires en fonction de leur rayon [14]. Des séries de mesures effectuées sur des longueurs d oxydation circulaires pour plusieurs diamètres ont permis de mettre en évidence la non linéarité de l oxydation latérale en fonction du diamètre et de valider une loi empirique donné par la littérature [13] qui s adapte à nos conditions expérimentales d oxydation. Ce modèle (figure 21) permet d obtenir la longueur d oxydation pour des mesas circulaires à partir de la longueur d oxydation de mesas rectangulaires (rayon tendant vers l infini) : w g0( R) = = w g R w R 1 r 0( ) r 1 c 2 wr R Equation (4) longueur d'oxydation mesurée sur un mesa circulaire pour plusieurs diamètres après 15mn d'oxydation longueur d'oxydation mesurée sur un mesa circulaire et pour plusieurs diamètres après 45mn d'oxydation Modèle avec une lox linéaire de 7.75 µm (mesurée sur des mesas carres de 160µm oxydés 15mn) Modèle avec une lox linéaire de 16µm (mesurée sur des mesas carres de 160µm oxydés 45mn) avec w c Longueur d oxydation pour un mesa circulaire, W r la longueur d oxydation pour un mesa rectangulaire, g o la vitesse d oxydation et R le rayon du mesa. Longueur d'oxydation (µm) Diamètre mesa circulaire (µm) Figure 21 Mesure de la longueur d oxydation circulaire en fonction du diamètre du mesa initial et comparaison avec le modèle théorique [13]. Pour tout renseignement, cliquez 31

37 Les VCSELs de la plaquette E511 f1 (technologie AlOx) que nous avons étudiés par la suite ont été obtenus avec une oxydation humide de 22 minutes soit une vitesse d oxydation de 0,9 µm.min -1. Comme le rayon obtenu (20 µm) est plus faible que celui qui était souhaité au départ (25 µm), on en conclut que la procédure d oxydation doit encore être affinée du point de vue de sa reproductibilité. D autre part, nous sommes restés dans le cas linéaire comme on peut le voir ci dessous. Longueur d'oxydation (µm) Courbe expérimentale Les mesures de la longueur d oxydation et du rayon du mesa sont réalisées à partir d images acquises via la carte vidéo de l ordinateur. La photographie ci-dessous est un exemple de la technique de mesure pour trois mesas différents : a b c R mesa 27,5 µm 27,0 µm 26,5 µm Rayon du mesa (µm) Figure 22 Longueur d oxydation en fonction du rayon du mesa supérieur. III.2 INFLUENCE DE LA TAILLE DU DIAPHRAGME D OXYDE SUR LES PERFORMANCES DU COMPOSANT Sur la plaquette E511 f1, certains composants sont prévus pour étudier l influence sur leurs performances de la présence ou non de l oxyde (les rayons de mesa sont différents). Le diaphragme d oxyde est complètement (ou presque complètement) fermé dans certains cas : lors de la conception des masques, on a volontairement tracé des mesas dont le diamètre est inférieur à la longueur d oxydation à atteindre en fin d expérience. D autres composants n ont pas d oxyde enterré : en réalité, on oxyde un anneau plus grand que le diamètre du mesa. III.2.1 VERIFICATION DU CARACTERE ISOLANT DE L OXYDE D ALUMINIUM Pour certains composants, nous avons bien vérifié que l oxydation était complète : lorsque l on alimente en courant le composant, la tension mesurée (en continu) équivaut instantanément à la tension de saturation de l alimentation et le VCSEL n émet pas de lumière. La couche complètement oxydée isole donc les deux contacts électriques (anode et cathode) du composant. Pour tout renseignement, cliquez 32

38 On a donc prouvé qu il était impossible d avoir des fuites à travers l oxyde puisque ce dernier ne semble pas conduire le courant. Cette possibilité avait été envisagée par les chercheurs de l équipe après l obtention de caractéristiques I(V) de mauvaise qualité sur certains composants. III.2.2 INFLUENCE DE LA TAILLE DU DIAPHRAGME SUR LE COURANT DE SEUIL Dans les autres cas (oxyde non fermé), l évolution du courant de seuil en fonction du diamètre d oxydation est significative (figure 24). Plus le diamètre diminue et plus le seuil laser est bas comme on pouvait le prévoir : - Sans diaphragme... I th = 21 ma - Diaphragme de 6 µm... I th = 2,3 ma - Diaphragme faible (<<1 µm)... I th = 448 µa Rq : diamètre non mesurable 1.0mW Puissance optique (détectée) 800.0µW 600.0µW 400.0µW 200.0µW Sans diaphragme Diaphragme de 6 µm Diaphragme très faible (<6µm) D W 0.0A 10.0mA 20.0mA 30.0mA 40.0mA 50.0mA Courant Figure 23 Evolution du courant de seuil en fonction du diamètre d oxyde. La pente de la caractéristique puissance optique / courant est similaire dans ces trois cas (figure 23), ce qui prouve que l oxydation latérale ne détériore pas le rendement. Toutefois la première courbe (seuil à 448 µa) n est pas complètement tracée. En effet, ces tests n ont pas pu être approfondis car l alimentation Profile PRO8002 ne fournit pas plus de 5 V en continu (cf. Chapitre II : limitation matérielle). Il se peut toutefois que pour un composant de si faible taille, des pertes par diffraction apparaissent pour des courants plus élevés. Pour tout renseignement, cliquez 33

39 On retiendra de cette expérience que le diaphragme d oxyde est un paramètre très important pour diminuer le seuil laser d un VCSEL. Une grande attention sera donc portée sur sa réalisation technologique. Les moyens de caractérisation automatique mis en place lors de ce stage seront des outils précieux pour contrôler rapidement sur de nombreux composants le résultat du processus d oxydation. III.3 FONCTIONNEMENT EN DETECTEUR Les VCSELs sont souvent étudiés pour l émission laser mais, comme nous l avons vu dans la partie consacrée à leurs avantages, ils servent parfois de détecteurs dans les lignes à transmission optiques. Lorsqu on éclaire un VCSEL avec la longueur d onde λ correspondante à la condition Fabry-Pérot (Equation 1), on peut obtenir l effet inverse i.e. on détecte un photocourant aux bornes du composant. Dans le cadre d un projet avec l ONERA (composant émetteur / détecteur dual pour la télémétrie), l équipe étudie actuellement le comportement en détection de VCSELs AlOx pour exploiter les avantages de ces composants en émission (émission monomode, faible seuil). De plus, en polarisation inverse, on bénéficie d une large surface de détection (i.e. surface d injection électrique) ce qui permet de compenser l élargissement du faisceau laser pendant la propagation (figure 24). Polarisation directe ou inverse Zone Detection Zone Emission diaphragme d'oxyde p cavité i n Substrat Figure 24 Description du composant dual émetteur / détecteur. Pour tout renseignement, cliquez 34

40 Les premières mesures effectuées au LAAS ont porté sur l émission et la détection alternative dans ce type de composant [08] (Thèse de L. Averseng en cours de publication, soutenance prévue le 16 juillet 2002). Ces mesures ont montré qu il est possible d obtenir un pic de photodétection centré sur la longueur d onde Fabry-Pérot et dont la sensibilité de détection maximale est de l ordre de 0,18 A.W -1 avec une polarisation de 5 V. Dans le cadre de mon stage, nous avons démontré qu il était également possible de travailler en détection tout en émettant un faisceau laser. Cela permettrait d étendre les possibilités d application de ces composants : fonctions optiques simultanées (full duplex) et non plus simplement alternatives (half duplex). Pour vérifier cette possibilité, la diode laser est alimentée par le générateur de tension à une valeur de tension telle que le courant correspondant soit supérieur au seuil laser. En l absence d éclairage, le comportement en tension du VCSEL est normal : on observe bien en champ proche une émission laser. En présence d un faisceau laser (à une longueur d onde correspondant exactement à la condition Fabry-Pérot) provenant du laser Ti : Sa et focalisé sur la surface du composant, le courant aux bornes du composant est fortement modifié : il y a un courant continu et négatif qui s ajoute à la courbe (figure 25). Il y a donc photodétection et émission laser. Décalage en courant de ~100 µa 0Courant en ma Mode émetteur Mode émetteur-récepteur Tension au seuil ~ 2,8 V Tension en V Figure 25 Courbes Courant-Tension en mode émetteur et en mode émetteur-récepteur. Ce décalage du courant permet donc de travailler en mode récepteur, même si on est en train d émettre. Ainsi, on peut par exemple contrôler dans une ligne à transmission optique si un message a bien été reçu. Ce résultat sera exploité dans le projet microscope SNOM avec le LOPMD dans lequel il est nécessaire de détecter les modifications induites par une réinjection optique dans un VCSEL associé à une pointe collectrice. Pour tout renseignement, cliquez 35

41 III.4 VCSELS MESA DE GRANDE TAILLE Malgré leur grand intérêt pour les applications, les études de l équipe sur les VCSELs ne portent pas uniquement sur les VCSELs AlOx monomodes. Dans le cadre d une Action Concertée Incitative (ACI) du Ministère de la Recherche, le LAAS-CNRS travaille sur la réalisation de VCSELs III-V de grande taille (diamètre > 100 µm). Ce projet vise à démontrer la formation de «solitons de cavité» ou structures localisées dans des résonateurs actifs formés par les VCSELs. Ces solitons [15] consistent en une distribution localisée du champ électromagnétique dans la section transversale du résonateur, générée par écriture d une impulsion lumineuse temporaire et dont la stabilité persiste jusqu à ce qu ils soient délibérément effacés par une seconde impulsion. En jouant sur des gradients de phase du champ incident, il serait de plus possible de manipuler et de déplacer transversalement ces structures autoorganisées. Les applications pratiques des systèmes capables de générer des solitons stables concernent la réalisation de mémoires optiques transportant de l information binaire pour le traitement optique de l information. La condition pour pouvoir observer des solitons dans des résonateurs actifs (i.e. sans qu il soit nécessaire d utiliser un faisceau optique de maintien de la structure transverse) est de disposer de VCSELs à mesas polarisés en continu juste au-dessus du seuil. Leur taille doit être à la fois assez grande devant l extension du soliton (15 µm) pour pouvoir manipuler plusieurs solitons de cavité mais assez petite pour éviter les problèmes de non uniformité de l injection électrique annulaire qui peuvent créer des gradients de phase involontaires. Dans notre technologie actuelle, une taille de diamètre du mesa supérieur de l ordre de 100 à 150 µm serait donc idéale. A terme, la longueur d onde d émission laser de ces composants sera de 980 nm de façon à pouvoir contrôler les solitons par la face arrière du substrat transparent à cette longueur d onde, ce qui permettra d éviter l injection annulaire et donc d améliorer l uniformité d injection. Par ailleurs, des simulations électriques et des modélisations électromagnétiques doivent être menées dans les prochains mois afin d optimiser l uniformité d injection de la structure. La conception des masques de fabrication de ces composants est prévue à la fin de l année Cependant, nous avons tenté d ores et déjà de réaliser des VCSELs de grande taille de géométrie circulaire ou carrée (100 µm de diamètre ou 100 µm de côté) à partir de masques déjà existants et légèrement modifiés. Ces composants ont été testés sous pointes pendant toute la durée du process. Pour tout renseignement, cliquez 36

42 III.4.1 VCSELS STANDARDS Tous les éléments de la plaquette ont été étudiés en régime continu, même si des problèmes d alignement sont apparus dès le début de la conception. En effet, la métallisation n a pas été uniforme sur tout l échantillon (figure 26), ce qui provoque la perte de quelques composants. De plus, on a constaté que pour certains composants, les zones N et P sont en contact (court-circuit) car il n y a pas eu assez de BCB entre les deux métallisations. Dès le début, certains de nos VCSELs ont par conséquent été écartés de notre campagne de mesures (problèmes de gravure, de métallisation ou de dépôt de BCB). ~100 µm Mauvaise métallisation VCSEL carré VCSEL circulaire Figure 26 Problèmes de métallisation des VCSELs (projet «Solitons de cavité»). Une analyse systématique de la plaquette nous a finalement permis de sélectionner certains VCSELs pour leur fonctionnement en continu. Etant donné qu il n y a pas de confinement optique et électrique à l intérieur de la structure, le seuil laser est assez élevé (> 100 ma). Ceci ne constitue pas un problème pour cette application puisque la principale contrainte est le fonctionnement en régime continu. Lorsque la gravure du mesa supérieur est parfaite (nombre de couches gravées équivaut à celui désiré) et lorsque la métallisation est complète et alignée sur le mesa, le courant de seuil diminue considérablement. Le VCSEL commence à passer par un état de luminescence (émission stimulée) avant de fonctionner en régime laser (émission spontanée) avec un seuil de ~45 ma. Pour tout renseignement, cliquez 37

43 Figure 27 Puissance optique émise et tension en fonction du courant. Les courbes de puissance optique ou de tension en fonction du courant injecté se sont avérées instables : un léger bruit de fond perturbe l acquisition. Nous attribuons cet effet aux mauvais contacts électriques entre la pointe et la métallisation finale du plot de contact de l échantillon. Le niveau de puissance émise ne correspond pas aux attentes, cependant ces composants n étant pas destinés à l émission laser, ils seront testés prochainement par nos collaborateurs. Ils seront donc montés sur boîtier pour des études plus approfondies. Même si les résultats ne sont pas entièrement conformes à ceux attendus, l étude de cette première plaquette nous a toutefois permis de valider la procédure de test de P(I) automatisée sous banc vertical. III.4.2 VCSELS EN FORME DE BANDE Les méthodes de fabrication des VCSELs par photolithographie autorisent la réalisation de formes variées de composants. Dans le but initial de pouvoir pomper à 840nm des microlasers solides à base de fluorures dopés terres rares qui sont étudiés dans un autre axe de recherche de l équipe, des bandes allongées de différentes dimensions avaient été prévues dans le masque de fabrication des VCSELs. Ces diodes à section rectangulaire sont appelés «VCSELs bande» (Photographie de la figure 29). Suite à des discussions avec nos partenaires du projet «Solitons de cavité», nous avons pensé que ces composants pouvaient être intéressants pour réaliser des mémoires 1D (registres à décalage). Nous avons donc étudié leur comportement en régime continu directement sur des plaquettes en cours de process ou à partir d éléments montés sur boîtier. Les tailles de ces bandes sont comprises entre 5 et 10 µm de haut pour des longueurs pouvant atteindre 2,5 mm (cf. figure 28). Pour tout renseignement, cliquez 38

44 Contact pour la pointe Zone d émission 10µm 2.5 mm Figure 28 Exemple de VCSEL en forme de bande. La première vérification effectuée sur ces composants a porté sur leur capacité à fonctionner en régime continu ce qui permet d envisager la poursuite de l étude sur ces composants originaux. D autre part, ne bénéficiant pas de la technologie AlOx et en raison de leur géométrie, ces dispositifs ne permettent pas d obtenir un seuil laser faible (ce qui n est pas recherché ici) : il est en général voisin de 20 ma. Enfin, la puissance optique mesurée n est pas très bien collectée car il y a dispersion spatiale du faisceau. En effet, le premier objectif (x20) permet d imager l objet situé à sa focale. Dans notre cas, il y a émission de lumière sur toute la longueur de la bande : cette longueur est plus grande que le champ de vision de l objectif et nous ne collectons pas tous les photons générés par émission spontanée. Contact pour la pointe Zone d émission Figure 29 Puissance optique émise et tension en fonction du courant et photographie d un VCSEL bande Cxvi-xvii-8 de 10 µm de large et 200 µm de long. L émission laser n est pas uniforme sur toute la longueur de la bande lorsque cette dernière est de grande dimension (> 200 µm) : on observe beaucoup plus d intensité lumineuse dans une région proche de celle de l injection du courant. Pour améliorer la qualité du montage, il serait intéressant d utiliser plusieurs pointes pour répartir le courant sur toute la longueur du composant. Pour tout renseignement, cliquez 39

45 Figure 30 Puissance optique émise par un VCSEL bande (10 µm x 2,5 mm) en fonction du courant injecté : en régime pulsé (figure de gauche) et en régime continu (figure de droite). Pour conclure sur ce projet, les mesures que nous avons réalisées ont permis de vérifier l adéquation de certains composants aux contraintes et de les sélectionner pour la découpe et le montage. Un VCSEL en forme de bande de 10 µm de large sur 2,5 mm de long a déjà été monté et envoyé à l Institut Non Linéaire de Nice (ILN) pour tenter de créer et d observer des solitons sur leur dispositif expérimental. Pour tout renseignement, cliquez 40

46 CONCLUSION GENERALE Le travail présenté dans ce mémoire a porté sur deux volets : l amélioration du banc de caractérisation et la caractérisation de VCSELs sur ce même banc. Nous avons en effet optimisé certains réglages et automatisé toutes les mesures grâce à des programmes écrits en Visual Basic. De plus, les possibilités offertes par le montage ont été étendues puisque, par exemple, nous avons intégré des expériences déjà existantes mais nécessitant jusque là l utilisation d un monochromateur (mesure de la cartographie de la réflectivité sur banc vertical). L adaptation du banc pour une analyse en mode pulsé n est pour l instant pas achevée car nous nous sommes heurtés à une inadéquation des sources en courant que nous avons testées. Un autre banc de caractérisation, spécialement conçu pour l étude en pulsé, serait peut-être préférable : en effet, le montage actuel ne permet pas de travailler dans des conditions optimales (isolation optique et électrique des composants) en raison des nombreuses possibilités de mesures optiques. Dans un deuxième temps et à partir des outils développés pendant le stage, nous avons caractérisé des motifs de test et des VCSELs conçus et fabriqués par l équipe EMACO du groupe Photonique. Parmi eux, les VCSELs à diaphragme d oxyde ont été étudiés sur deux aspects : la cinétique de l oxydation d une part et l influence de la géométrie d autre part. Par ailleurs, dans le cadre des collaborations de l équipe avec d autres partenaires, des composants originaux tels que les VCSELs de grand diamètre ou en forme de bande ont été réalisés puis testés sur le banc vertical de caractérisation. Sur un plan plus personnel, mon stage de DEA m aura permis de côtoyer le «monde» particulier de la recherche appliquée. Contrairement à la recherche dite fondamentale, les expériences que j ai pu approcher pendant ces quelques mois m ont démontré qu il était important de maîtriser l ensemble des paramètres expérimentaux. Cette maîtrise parfaite nécessite donc, de la part de l expérimentateur, une curiosité de tous les instants. L équipe Photonique du LAAS-CNRS m a fait vivre intensément sa passion pour la Recherche et n a fait qu encourager mon engouement pour la théorie et l expérimental. Pour tout renseignement, cliquez 41

47 BIBLIOGRAPHIE [01] «Introduction aux lasers et à l optique quantique» - G. Grynberg, A. Aspect, C. Fabre Edition Ellipses [02] «Les lasers, cours et exercices corrigés» - D. Dangoisse, D. Hennequin, V. Zehnlé- Dhaoui Edition Dunod [03] «Optoélectronique, composants photoniques et fibres optiques» - Zeno Toffano Edition Ellipses [04] «Caractérisation électrique et optique de diodes lasers à cavité verticale émettant par la surface à 840 nm» - Anne-Lise Fabre Stage de DESS Université de Metz, LAAS- CNRS Toulouse juin [05] «Conception, élaboration sous contrôle optique en temps réel, fabrication et caractérisation de lasers à cavité verticale pour l émission à 840 nm» - Frédérick Van Dijk Thèse UPS LAAS-CNRS Toulouse Rapport LAAS numéro [06] «Vertical cavity surface emitting lasers» - T.E. Sale Edition Research Studies Press LTD [07] «Oxydation thermique humide contrôlée de multicouches de (Ga,Al)As, application aux lasers à cavité verticale émettant par la surface» - Pascal Dubreuil Mémoire du CNAM, LAAS-CNRS Toulouse Rapport LAAS numéro décembre [08] «Conception, réalisation et caractérisation de dispositifs à microcavité III-V pour la photodétection et l émission-détection duale» - Laurent Averseng Thèse UPS, LAAS Toulouse Soutenance prévue le 16 juillet [09] «Caractérisation de composants à cavité verticale : mise au point d une méthode d imagerie champ proche champ lointain de VCSELs» - Jérôme Polesel Maris Stage de maîtrise UPS, LAAS-CNRS Toulouse juin [10] «Mise en œuvre et automatisation d un système de mesure de cartographie de spectroscopie et d étude en fonction de la température» - Damien Ramis Mémoire du CNAM, LAAS-CNRS Toulouse [11] «Effect of cylindrical geometry on the wet thermal oxidation of AlAs» - A.C. Alonzo et al. Journal of Applied Physics, vol 84, no 12, p , [12] «Dependance of lateral oxidation rate on thickness of AlAs layer of interest as a current aperture in vertical-cavity surface-emitting laser structures» - B. Koley et al. Journal of Applied Physics, vol 84, no 1, p , Pour tout renseignement, cliquez 42

48 [13] «Lateral oxidation of buried Al x Ga 1-x As layers in a wet ambient» - T. Langenfelder et al. Journal of Applied Physics, vol 82, no 7, p , [14] «Kinetics of thermal oxidation of AlAs in water vapor» - M. Ochiai et al. Applied Physics Letters, vol 68, no 14, p , [15] «Saptial mode structure of bottom-emitting broad-area vertical-cavity surface-emitting lasers» - T. Ackemann et al. J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 2, 406, Pour tout renseignement, cliquez 43

49 ANNEXES 1. Caractéristiques des sources en courant 2. Programme d acquisition de la puissance optique et de la tension en fonction du courant (VIP) 3. Programme de pilotage du Lyot Pour tout renseignement, cliquez 44

50 ANNEXE 1 CARACTERISTIQUES DES SOURCES EN COURANT Fournisseur Modèle Courant Modulation Liaison pg Remarques Accessoires à rajouter Prix tot (Euros) avec réduc. Imax Résolution (sur 100mA) Précision (sur 100mA) Type Fmax Micro-Contrôle mA 7.6mA 45mA pulsé sinus et créneaux 300kHz GPIB RS232 * V de 0 à 7V * mod. analog. ext. 350kHz ILXLightwave LDX /100mA 1mA 50mA analog. ext. 1MHz GPIB V : 0-10V / 50mV carte GPIB LDP /500mA 10mA 1mA pulsé créneaux 1MHz GPIB V>25V carte GPIB Keithley 220/E 100mA 50mA 150mA ext. 30kHz IEEE-488 V bipolaire de 1 à 105V / 1V carte GPIB mA 5mA 86mA no modulation IEEE-488 et RS232 * balayage I-V intégré * bipolaire (I et V) mA 5mA 86mA interne : créneaux 150ms<width<5ms max duty cycle 100% IEEE-488 RS232 et * balayage I-V intégré 0-100V * bipolaire (I et V) Sub-fA 100mA 5mA 86mA no modulation IEEE-488 RS232 et V de 1mV à 200V mA et 5A 5µA 86µA Modulation interne IEEE-488 RS232 et V de 20V au max Laser 2000 ITC mA RS232 ou IEEE- 488 avec supplément * Combiné I-Peltier (2A/16W) * 0-6V Interface RS (*) (*) PRO800 + LDC mA 3µA 100µA modulation externe Rapport cyclique 50% RS232 et GPIB 16 bits * Drivers LabView et Labwindows * 0-5V Pour tout renseignement, cliquez 45

51 ANNEXE 2 PROGRAMME D ACQUISITION DE LA PUISSANCE OPTIQUE ET DE LA TENSION EN FONCTION DU COURANT (VIP) Nous développerons dans cette partie l utilisation du logiciel VIP (V pour tension, I pour courant et P pour puissance optique) dont nous avons développé le code source en Visual Basic. Nous ne rentrerons pas dans le détail de la programmation. Figure A1 Ecran général du programme VIP. DESCRIPTION DES MENUS Le menu FICHIER permet d accéder aux différentes options du programme. Ainsi, il est possible de réaliser une des opérations illustrées dans la figure A2. Le menu FENETRES permet de basculer d une fenêtre à une autre et de paramétrer l alimentation ou de modifier le mode d acquisition des données. Pour tout renseignement, cliquez 46

52 (a) (b) Figure A2 (a) Détail du menu FICHIER (b) Détail du menu FENETRES. La fenêtre de «génération de pulses» permet de choisir la durée des pulses et le temps de répétition lors d un fonctionnement en régime pulsé (figure A3). L option «Configuration de l alimentation» permet de paramétrer la source en courant. On peut régler le courant maximum que devra fournir le générateur : cette valeur ne sera jamais dépassée pour protéger les composants en cours de tests. En choisissant la photodiode utilisée pour la détection (Si 1, Si 2 ou un autre détecteur), on paramètre le rapport entre le signal fournie par la diode et la puissance optique effectivement reçue. L option notée «PhD x» corrige la puissance optique détectée par un facteur multiplicatif. Pour le montage du banc que nous avons réalisé, les pertes au passage des éléments optiques (objectifs et lames semi-réfléchissantes) sont corrigés par un facteur égal à 2,6. La descente en courant doit éviter les variations trop rapides du courant. Cette option peut être paramétrée dans la boîte de dialogue «configuration de l alimentation». Figure A3 Boîtes de dialogue accessibles via le menu FENETRES. Pour tout renseignement, cliquez 47

53 L option «Acquisition en continu» a été ajoutée pour le confort de l opérateur en autorisant un contrôle en temps réel des paramètres (V, I et P) de l alimentation. Cette fenêtre sert également à optimiser le montage du banc optique afin que le signal détecté par la photodiode soit maximum. ACQUISITION EN CONTINU La figure A4 présente la fenêtre d acquisition en continu de la puissance optique et de la tension aux bornes du VCSELs. La section «paramètres» permet de fixer les conditions de l acquisition : le nombre de points par mesure permet de moyenner les données sur plusieurs mesures. Si la case «Tenir compte de l Offset en courant» est cochée, on effectue en premier un test de l alimentation qui nous permet de connaître la valeur de l Offset en courant. Sa valeur peut être conservée ou retirée des valeurs mesurées. Figure A4 Acquisition de la P(I) et de la V(I) en continu. Pour débuter l acquisition automatique, il suffit de cliquer sur le bouton rond et rouge. Le programme propose alors d enregistrer les données dans un fichier dont le nom peut être modifié dans la section «Nom de fichier auto». Si la case est cochée, les noms générés portent la date et l heure de l acquisition. Les informations écrites par l utilisateur dans l onglet «Entête du fichier de données» sont directement copiées dans le fichier de sauvegarde. De plus, les informations sur l acquisition (section paramètres) y sont reportées. Pour tout renseignement, cliquez 48

54 L onglet «Réception des données» permet de connaître en temps réel la valeur du courant de l alimentation et l état de la sortie (ON ou OFF). D autres options peuvent être utilisées en cochant les cases correspondantes. L onglet «Calculs» permet d afficher ou de cacher les informations relatives à l acquisition. Le calcul du seuil automatique est fait en temps réel mais il est également possible d effectuer la procédure à tout moment en cliquant sur le bouton «Effectuer». Le calcul du seuil à l aide de la méthode des pentes peut aussi être réalisé. Il suffit d indiquer les limites inférieures et supérieures du courant pour les deux régimes. Cette option est toujours accessible mais sa précision est inférieure à celle de la méthode développée à base de la dérivée seconde. Pour tout renseignement, cliquez 49

55 ANNEXE 3 PROGRAMME D ACQUISITION DU LYOT Le programme Lyot permet de piloter directement le laser accordable en longueur d onde qui porte le même nom. Ce programme inclut la possibilité d étudier l échantillon (P et longueur d onde) en temps réel. Figure A5 Ecran général du programme Lyot. Dans la section «acquisition», l utilisateur entre les paramètres de l expérience avant de lancer l acquisition en cliquant sur le bouton correspondant. Les données sont enregistrées dans un fichier pour de futurs traitements. La section «pilotage manuel du filtre» permet de déplacer la longueur d onde du laser accordable à n importe quel moment. La section «informations» renseigne l utilisateur sur les valeurs actuelles des paramètres (valeur du Lyot et valeur mesurée via la détection synchrone et la carte d acquisition du PC). L icône en forme de main symbolise la possibilité de mettre à jour le champ d un simple clic gauche de la souris. Pour tout renseignement, cliquez 50

56 L option «Acquisition en continu» permet de piloter le laser accordable et de lire en temps réel la valeur affichée sur la détection synchrone. Il est possible de placer le Lyot à une longueur d onde déjà déterminée ou de déplacer la longueur d onde en continu jusqu à l intervention de l utilisateur pour le stopper. Figure A6 Boîte de dialogue de visualisation des paramètres en continu. Pour tout renseignement, cliquez 51