Description du procédé technologique sur substrat SOI ou miroir de Bragg 56

Nous avons à notre disposition deux types de structures :

– Une membrane d’InP de 250nm d’épaisseur contenant un plan de boîtes quantiques (InAs de densité 1011 boites/cm2) reportée sur un substrat SOI ;

– Une membrane d’InP de la même épaisseur contenant 4 puits quantiques (InAsP) reportée sur un miroir de Bragg et dont la cavité de silice entre la membrane et le miroir a une épaisseur de 790nm (3λ/4n à 1.5µm).

Ces membranes d’InP, constituées d’un substrat d’InP, d’une couche sacrificielle d’InGaAs et de la membrane active, ont été réalisées au laboratoire par croissance épitaxiale par jets moléculaires. Le collage par adhésion moléculaire de la membrane d’InP sur le substrat a été réalisé au LETI-CEA (figure 2.21).

2.5. Réalisation expérimentale

Elles ont toutes été développées et optimisées dans le but de réaliser des cristaux photoniques à réseaux de piliers.

Figure 2.21 – Collage par adhésion moléculaire entre le miroir de Bragg et la membrane d’InP (étape réalisée au CEA-LETI).

Après le retrait du substrat par voie chimique (b), la première étape consiste à déposer un masque dur de silice sur la membrane d’InP de 90nm (c). Ce dépôt est réalisé par pulvérisation cathodique réactive. Ensuite, 200nm de résine négative, la ma-N 2400 (microresist GmbH), sont déposés à la tournette (d). Les motifs sont définis par lithographie électronique (e). Après développement de la résine (f), la gravure des matériaux est réalisée par gravure ionique réactive (Reactive Ion Etching). Cette gravure est divisée en plusieurs étapes : pour commencer, l’ouverture du masque de silice est réalisée en activant un plasma de CHF33 (g). Un nettoyage de l’échantillon à l’O2 est ensuite nécessaire afin de retirer la résine de l’échantillon (h). Enfin la gravure du semi-conducteur III-V est réalisée à l’aide d’un plasma de CH4/H2 (i).

Nous laissons volontairement le reste de la silice au dessus des piliers pour une raison simple : l’intensité du champ étant concentrée dans les piliers, cela permet de conserver une structure symétrique et d’assurer la meilleure interaction possible entre les boites ou les puits quantiques, et le mode guidé fondamental qui présente un maximum de champ au centre de la membrane.

En plus de ces étapes essentielles à la réalisation des cristaux photoniques, des marques d’alignements métalliques ont été également définies sur les échantillons. Cela pour plusieurs raisons : d’abord, elles permettent un alignement parfait lors de la lithographie électronique entre le masque dessiné et l’échantillon pour une meilleure résolution de la période des cristaux photoniques (erreur inférieure à 20nm). D’autre part, elles permettent un réglage du faisceau d’électrons très fin : la focalisation et le réglage de l’astigmatisme du faisceau peuvent être parfaitement calibrés sur ces marques métalliques. Enfin, le repérage rapide des zones de

Figure 2.22 – Définition du motif par lithographie électronique.

2.5. Réalisation expérimentale

dispositifs est grandement facilité.

Ces marques sont réalisées en salle blanche par procédé de “lift-off” : une première lithographie UV (résine positive AZ5214) est effectuée sur l’échantillon permettant de définir les zones marquées. Ensuite, après un recuit (1min à 110°C), une seconde insolation pleine plaque est réalisée. Ces étapes permettent d’inverser la résine. La figure 2.24 montre un exemple de la définition des marques avant le dépôt métallique. Un dépôt métallique de Nickel (50Å, couche d’accroche) et d’or (1500Å, épaisseur nécessaire pour l’observation au microscope électronique) est ensuite réalisé par évaporation. Un nettoyage à l’acétone permet de retirer les zones que l’on souhaite dépourvues de métal. La figure 2.25 montre une image des marques réalisées. La zone de définition des cristaux photoniques est de 100 ∗ 100µm. Un exemple de structures à réseaux de microplots réalisées est donné figure 2.26.

Figure 2.24 – Image de la définition des marques métalliques par procédé de lift-off avant le dépôt métallique. Le damier de gauche permettra lors de la lithographie électronique un réglage fin du faisceau (focalisation, astigmatisme). Les cristaux photoniques seront définis dans une zone de 100 ∗ 100µm.

Figure 2.25 – Image réalisée au microscope optique des marques d’or réalisées par procédé de lift-off. Des cristaux photoniques à réseaux de piliers ont été définis par lithographie électronique sur les zones prévues de 100 ∗ 100µm.

Figure 2.26 – Image réalisée au microscope électronique donnant un exemple de structures à cristaux photoniques 2D à réseaux de piliers réalisés sur un substrat SOI.

2.5. Réalisation expérimentale

2.5.3 Description du banc de caractérisation de photoluminescence

Un schéma du banc de photoluminescence est représenté figure 2.27. Le signal d’excitation, délivré par une diode laser pulsée émettant à 810nm, est focalisé sur la structure à l’aide d’un objectif de microscope. La seconde partie du banc concerne la détection du signal de photoluminescence. Le signal de photoluminescence émis par la structure peut être enregistré à l’aide de la caméra CCD, sensible dans la gamme de longueurs d’onde couvrant le proche infrarouge (0.9µm à 1.7µm). Une lentille placée à une distance f correspondant à la focale de la lentille permet d’obtenir l’image de la surface de l’échantillon dans l’espace réel. Le signal peut être analysé spectralement à l’aide d’un monochromateur pour des longueurs d’onde situées entre 1350 et 1650nm. En dehors de cette plage de longueurs d’onde, le détecteur InGaAs (Arséniure de Gallium) refroidi ne permet pas la détection du signal. Un filtre placé devant la fibre de collection permet de couper le faisceau de pompe. Les dispositifs sont éclairés en lumière blanche afin d’aligner le faisceau de pompe sur l’échantillon à caractériser.

Cette caractérisation permet de déterminer les spectres d’émission des structures en champ lointain. Les composantes du champ évanescent du mode de Bloch de la structure ne sont pas présentes lors de l’analyse du signal émis par le cristal photonique puisqu’elles sont naturellement filtrées lors de la propagation du signal. Pour connaître la répartition spatiale du champ dans la structure, il est nécessaire d’avoir recours à une caractérisation en champ proche.