Fabrication des dispositifs

J’ai réalisé les dispositifs au sein de la salle blanche de l’Université Paris Diderot. Les premières étapes de fabrication des échantillons sont schématisées dans la figure 2.9. La première étape consiste à réaliser l’isolation des mesas. Pour cela, je suis parti de la structure épitaxiée (a) et j’ai déposé une couche de résine S1805 par centrifugation. Une lithographie optique positive permet de ne garder de la résine que sur les structures à protéger (b). J’ai ensuite utilisé une solution de H3PO4/H2O2/H2O dans des proportions

de 1/1/38 pour réaliser une gravure humide (c). Cette solution permet de graver les couches d’InGaAs et d’AlInAs avec un taux de gravure de 120 nm · min−1 mais de ne pas graver l’InP. Il est ainsi possible de s’arrêter parfaitement en arrivant sur le substrat. Une fois gravé, l’échantillon est nettoyé à l’acétone (d).

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g)

Figure 2.9 – Première partie des étapes de fabrication des échantillons de référence. (a) Struc- ture initiale. (b) Dépôt de résine S1805. (c) Gravure chimique des mesas. (d) Retrait de la résine. (e) Dépôt de résine AZ5214. (f) Évaporation des contacts latéraux diffusés Ni/Ge/Au/Ni/Au. (g) Lift-off avant recuit.

Une seconde étape de lithographie permet de déposer les contacts latéraux (e). Pour cela, une couche de résine AZ5214 est déposée et une lithographie optique négative est réalisée (e).

Un alliage Ni/Ge/Au/Ni/Au est ensuite déposé sur la surface de l’échantillon (f). Les épaisseurs déposées sont 10 nm/60 nm/120 nm/20 nm/200 nm. La première couche de nickel permet l’accroche du métal sur le semiconducteur. Les deux couches suivantes sont utilisées comme alliage diffusant. La seconde couche de nickel permet de bloquer la diffusion. Enfin, la couche d’or supérieure permet la microsoudure des contacts.

Après un lift-off, j’ai obtenu la structure présentée dans la figure2.9(g) avec les structures en mesa et les deux contacts latéraux, pour le moment, non diffusés.

Pour permettre de réaliser un contact ohmique avec la couche dopée, il est nécessaire de faire diffuser les contacts. Pour cela, l’échantillon est recuit dans un four à 400◦ C pendant 60 s. Pour assurer l’homogénéité de la diffusion, l’échantillon est posé sur un support de SiC assurant une bonne répartition de la chaleur. Les figures 2.10 (a) et (b) présentent respectivement un schéma de la structure pendant le recuit et après la diffusion des contacts.

Pour finaliser la fabrication des échantillons, une couche de Ti/Au est déposée sur le des- sus du mesa pour servir de miroir permettant de maximiser le recouvrement du champ électromagnétique avec la couche dopée [42]. Pour cela, la première étape consiste en un enrésinement de l’échantillon par une résine AZ5214. Ensuite, une étape de lithographie négative permet d’ouvrir les sites des dépôts métalliques centraux. Cette étape est sché- matisée dans la figure 2.11 (a). Un dépôt de Ti/Au est ensuite réalisé. Les épaisseurs déposées sont de 10 nm pour le titane et 200 nm pour l’or. J’obtiens ainsi la structure schématisée en figure2.11(b). Une dernière étape de lift-off à l’acétone permet de nettoyer

2.3. Dispositifs pour l’émission thermique 58

(a) _(b)

Figure 2.10 – (a) Recuit des contacts latéraux à 400◦ C. (b) Résultat du recuit des contacts latéraux.

l’échantillon et d’obtenir la structure finale de la figure 2.11 (c).

(a) (b) (c)

(d)

Figure 2.11 – (a) Dépôts de résine AZ5214. (b) Évaporation du top contact Ti/Au. (c) Struc- ture finale après lift-off. (d) Image au microscope optique de deux dispositifs finaux obtenus après la fabrication en salle blanche.

Les dispositifs finaux ont des contacts latéraux de 100 µm × 120µm. La taille de la couche métallique déposée sur la surface est de 50 µm × 50µm, ce qui correspond à la largeur et la longueur du canal de conduction. Une image de deux dispositifs finaux est présentée dans le panneau (d) de la figure 2.11. La lumière émise par l’échantillon devra ensuite être extraite. Dans ce but et pour tenir compte des règles de sélection, il est nécessaire de réaliser une facette polie comme présenté dans la figure 2.12 (a). Dans l’étude menée ici, cette facette est polie à un angle de 45◦_{. Pour réaliser le polissage de la facette, j’utilise une}

polisseuse mécanique permettant d’obtenir une rugosité très faible de la facette. Pour les mesures, nous n’avons pas accès directement à l’angle interne d’émission, nous ne pouvons mesurer que l’angle externe θm. En tenant compte de l’angle de polissage de la facette θf

la loi de Snell-Descartes pour remonter à l’angle interne d’émission θin connaissant θm :

θin = θf + arcsin(

n1

n2

cos(θm+ θf)) (2.10)

La figure 2.12 (b) présente les différents angles pris en compte dans le calcul de l’angle interne d’émission.

(a) (b)

Figure 2.12 – (a) Schéma d’un dispositif après fabrication. Nous voyons ici les deux contacts latéraux permettant l’injection du courant dans le plan de la couche dopée et la facette réalisée par polissage mécanique. (b) Schéma de la facette permettant l’extraction de la lumière émise.

Après la réalisation de la facette, les échantillons sont fixés, grâce à une couche d’indium, à des embases en cuivre recouvertes d’or. Un schéma de l’embase utilisée, avec l’échantillon fixé sur celle-ci, est présenté dans la figure 2.13.

Figure 2.13 – Schéma de l’échantillon monté sur l’embase. Nous voyons la base de cuivre recouverte d’or, les deux pads latéraux composés d’une céramique recouverte d’or et les fils d’or utilisés pour la microsoudure.

Cette embase permet une bonne conduction thermique entre l’échantillon et l’environ- nement. Pour terminer la fabrication, les contacts latéraux sont soudés par du fil d’or aux deux pads de l’embase. Une fois les dispositifs fabriqués, montés sur les embases et microsoudés, il est possible de mesurer leur spectre d’émission. Pour cela, j’ai utilisé le montage expérimental présenté dans la section suivante.

2.3. Dispositifs pour l’émission thermique 60