Caractérisation électrique et optique

Le montage expérimental est présenté en figure 4.16. L’échantillon est placé dans un cryostat permettant de le refroidir jusqu’à 78 K à l’azote liquide. La température est contrôlée par un contrôleur de température, ce qui permet de réaliser des mesures à différentes températures durant le refroidissement. Le cryostat utilisé permet également de réaliser des études d’émission résolue en angle.

La lumière émise par le dispositif sort du cryostat par une fenêtre en ZnSe (séléniure de zinc) possédant une transmission de 80% dans notre gamme de fréquences (données fabricant). Une lentille en germanium f/1.5 permet de collimater le faisceau en entrée du

Figure 4.16 – Montage expérimental utilisé pour la mesure des spectres d’émission. L’échan- tillon est placé dans un cryostat. La tension est appliquée sur le dispositif par un générateur de signal carré. Les caractéristiques électriques sont mesurées via un oscilloscope. La lumière émise est collectée et analysée grâce à un FTIR.

dans la figure 2.15.

(a) (b)

Figure 4.17 – (a) Schéma en coupe d’un dispositif. La tension appliquée entre le contact supérieur et les contacts latéraux permet d’établir la circulation du courant perpendiculairement à la couche dopée. (b) Schéma en trois dimensions d’un dispositif, la couche dopée est représentée en vert. La facette permettant l’extraction de la lumière est également représentée.

L’application d’un voltage sur l’échantillon grâce au générateur de signal permet d’éta- blir le passage du courant. Dans cette étude, le flux d’électrons est injecté verticalement comme présenté dans le panneau (a) de la figure 4.17. Les électrons sont accélérés par le champ électrique créé via la différence de potentiel appliquée entre le contact supérieur et les contacts latéraux. Le flux électronique interagit avec le plasmon bidimensionnel ce qui permet son émission radiative. Les électrons sont ensuite collectés via la couche de contact inférieure et par les contacts d’or latéraux. Nous voyons dans ce schéma que les

4.3. Injection électronique dans la structure sans barrières 118

contacts latéraux ne sont pas déposés sur la couche plasmonique. Cela permet de diminuer l’émission thermique du plasmon.

Un schéma complet d’un dispositif est présenté dans le panneau (b) de la figure 4.17. Nous pouvons voir la facette polie sur le substrat d’InP, le contact supérieur circulaire, les deux contacts latéraux ainsi que la couche contenant le plasmon bidimensionnel.

(a) (b)

Figure 4.18 – (a) Caractéristique tension-courant de l’échantillon étudié. Nous voyons ici la présence d’une barrière Schottky présentant une asymétrie entre la partie positive et négative. (b) Signal mesuré (polarisé TM) en fonction de l’intensité injectée dans l’échantillon (positive et négative).

La première caractérisation que j’ai réalisée est une caractérisation électrique de l’échan- tillon sans barrières. Pour cela, j’ai mesuré la caractéristique tension-courant (V-I) de l’échantillon à 300 K avec une modulation en fréquence de l’injection de 10 kHz et 50% de taux de répétition. La tension et l’intensité sont mesurées sur l’oscilloscope comme décrit plus haut.

Nous voyons ainsi que la caractéristique électrique mesurée, et présentée dans le panneau (a) de la figure 4.18, présente une barrière Schottky d’une hauteur de 2 V dans sa partie positive. Dans le but de vérifier la symétrie électrique de notre système, j’ai réalisé la même mesure avec un voltage négatif. Dans ce cas, la hauteur de la Schottky est plus faible, elle s’établit à -1 V. Ce résultat est étonnant. En effet, la structure de l’échantillon avait été pensée pour obtenir une caractéristique électrique linéaire (pas de présence de barrière et contacts ohmiques). En réalité, le processus de fabrication et notamment l’étape de décapage ionique (IBE) lors du dépôt du contact supérieur modifie les états de surface de l’échantillon et amène à la création de cette barrière. Ce phénomène a été mis en lumière durant le stage de Riccardo Cacocciola. Les mesures qu’il a réalisées sont présentées dans l’annexe 4.4.2.

La luminescence (L) en fonction de l’intensité injectée (I) a également été mesurée sur l’échantillon sans barrière. Le but de cette mesure est de vérifier si l’injection est non thermique à température ambiante ou si une composante thermique subsiste. Le résultat de cette mesure est présenté dans le panneau (b) de la figure 4.18. En injection positive, la caractéristique L-I est déjà quasi linéaire. C’est également le cas en injection négative. Dans les deux cas une légère surlinéarité est présente due à une composante thermique résiduelle provenant du transport électronique dans la couche de contact inférieure.

La linéarité des L-I est une première indication du caractère résonant de cette injection. Une caractérisation plus approfondie de son caractère non thermique sera présentée dans la section 4.3.3.

Figure 4.19 – Noir : Spectre obtenu à température ambiante pour une injection positive de 2.92 V et un angle interne de 20◦. Les spectres en polarisation TM et TE sont présentés respectivement en trait plein et en pointillés. Le pic plasmonique est clairement visible et le niveau de signal en TE est très faible. Rouge : Spectre d’absorption obtenu pour un angle de 20◦

La figure 4.19 montre les spectres d’émission que j’ai obtenus sur l’échantillon sans bar- rières en polarisation TM (trait noir plein) et en polarisation TE (trait noir pointillés) avec une injection verticale positive de 2.92 V à 300 K et avec un angle d’émission de 20◦_.

La modulation électrique appliquée ici est de 10 kHz avec un taux de répétition de 50 %. L’émission du mode plasmonique est clairement visible en polarisation TM.

Si nous comparons avec un spectre d’absorption de l’échantillon (présenté en pointillés rouges dans la figure4.19) au même angle, nous voyons clairement le pic correspondant au mode plasmonique à 155 meV. La composante TE, correspondant à l’émission thermique du réseau cristallin, est tracée en traits pointillés.

Nous voyons donc grâce à cette mesure que nous sommes parvenus à obtenir l’émission d’un plasmon bidimensionnel dans une structure sans barrières sous injection verticale. Il est également important de noter que l’émission est ici majoritairement polarisée en TM (composante TE très faible). Pour montrer qu’il s’agit ici d’une excitation résonante et non thermique, il est nécessaire de réaliser une caractérisation de l’émission en température pour les raisons présentées dans la section 4.1. Pour cela des mesures de luminescence en fonction de l’intensité électrique et des mesures spectrales ont été réalisées à différentes températures jusqu’à 78 K. Les résultats de ces mesures sont présentés dans la section suivante.

4.3. Injection électronique dans la structure sans barrières 120