1.3 Absorptivité d’un puits quantique : simulation et mesure
1.3.2 Mesure de transmission à l’angle de Brewster
Nous allons étudier dans ce paragraphe une méthode expérimentale permettant l’étude de la réponse optique d’un puits quantique dopé soumis à une onde électromagnétique dans l’infrarouge. Cette technique expérimentale permet de mesurer notamment le coefficient d’absorption du puits quantique étudié et de déterminer l’énergie du pic plasmonique. En général, une mesure de transmission à l’angle de Brewster permet d’obtenir ces informa- tions. Cependant, dans le cas où l’absorption est trop faible ou si des informations sur le comportement en angle de la réponse optique sont nécessaires, il est possible d’utiliser d’autres méthodes comme la transmission en configuration multipassage ou de réaliser
des mesures de réflectivité. Nous allons ici principalement nous attarder sur la technique de mesure de transmission à l’angle de Brewster.
À l’angle de Brewster, la lumière polarisée TM sera entièrement transmise alors qu’une partie de la lumière polarisée TE sera réfléchie. L’angle entre le rayon transmis et le rayon réfléchi formera de plus un angle droit. C’est donc un angle de mesure extrêmement bien adapté à l’étude de nos structures. En effet, comme présenté dans les sections précédentes, les règles de sélection montrent que seule la composante TM du champ sera absorbée par le puits quantique. Nous sommes donc dans une configuration optimale pour l’étude de l’absorption des puits quantiques.
L’angle de Brewster se trouve facilement si l’on connait les indices optiques des matériaux étudiés. J’ai utilisé l’indice du substrat4 n
2 = 3.1 ; la lumière propageant dans l’air avant
d’arriver sur le matériau, nous prendrons n1 = 1. En appliquant la loi de Snell-Descartes,
nous obtenons :
(
n1sin(θ1) = n2sin(θ2)
θB = arctan(nn21)
(1.40)
Avec θ1 et θ2 les angles incident et réfracté respectivement et θB l’angle de Brewster. Il
est possible de schématiser cette situation comme montré dans la figure 1.20.
Figure 1.20 – Schéma de la structure et du trajet de la lumière pour une mesure de transmission à l’angle de Brewster. Une partie de l’échantillon est gravée jusqu’au substrat pour servir de référence. Les polarisations sont indiquées en rouge.
Pour obtenir l’absorption de l’échantillon, il est nécessaire de mesurer la transmittance. En effet l’absorptivité A est donnée par :
A = 1 − R − T (1.41)
avec R la réflectivité et T = Itransmise
Iincidente
la transmittance. La réflectivité étant nulle à l’angle de Brewster pour la polarisation TM, nous obtiendrons AT M = 1 − TT M. Cependant pour
les mesures, nous utilisons une source large bande. Ainsi, en dehors de la résonance, la
1.3. Absorptivité d’un puits quantique : simulation et mesure 40
lumière ne se couplera pas au mode plasmonique et sera donc transmise. Nous avons donc besoin d’une référence pour éliminer la composante non absorbée par le puits. Cette référence peut être obtenue en utilisant la composante TE de l’onde transmise qui elle n’est pas absorbée par le puits quantique. Nous obtenons ainsi :
A = 1 −
SpectreT Mech SpectreT Eech
Iincidente
(1.42)
avec SpectreT Mech le spectre obtenu en polarisation TM et SpectreT Eech le spectre obtenu en polarisation TE. Pour obtenir l’intensité incidente sur l’échantillon, il est nécessaire d’utiliser une référence où il n’y a pas d’absorption. L’absorption provenant uniquement du gaz d’électrons bidimensionnels sera ainsi donnée par :
AQW = 1 −
SpectreT Mech/SpectreT Eech
SpectreT Mref/SpectreT Eref
(1.43)
avec SpectreT Mref et SpectreT Eref les spectres obtenus en polarisation TM et TE sur le substrat. Pour obtenir ces spectres de référence, j’ai réalisé la gravure d’une partie de l’échantillon pour retirer le puits quantique et obtenir ainsi seulement le substrat comme présenté dans la figure 1.20. Pour cela, une gravure humide par une solution d’acide ortophosphorique et de peroxyde d’hydrogène est utilisée. Elle permet de graver l’InGaAs et l’AlInAs sans graver le substrat d’InP. Il faut noter qu’un polissage du substrat a été réalisé sur les deux parties de l’échantillon pour obtenir une rugosité minimale de la face de sortie de la lumière. Cela a été réalisé pour éviter toute diffusion de la lumière liée à la rugosité de la surface.
Montage expérimental
Pour réaliser la mesure des spectres de transmission à l’angle de Brewster j’ai utilisé le montage expérimental présenté dans la figure 1.21.
Dans ces mesures, la source thermique interne large bande (GLOBAR) d’un interféromètre à transformée de Fourier (FTIR) dont les optiques sont adaptées à l’infrarouge est utilisée. Après être passée par l’interféromètre, la lumière émise par cette source est focalisée sur l’échantillon à l’aide d’un miroir parabolique en or. Suite à son passage par l’échantillon, la lumière est collimatée puis refocalisée sur un détecteur au tellurure de mercure-cadmium (MCT) permettant des mesures jusqu’à des longueurs d’onde de 14 µm. Le signal mesuré par le détecteur est ensuite renvoyé vers le FTIR pour être traité par le logiciel interne OPUS.
Un polariseur est présent avant l’échantillon pour permettre de sélectionner la polarisation incidente sur l’échantillon (TM ou TE). L’échantillon lui même est placé sur une monture trois axes qui permet de le déplacer pour focaliser la lumière au choix sur la zone avec ou sans le puits quantique. Ces deux éléments nous permettront ainsi d’obtenir l’absorption du puits quantique par la formule 1.43.
Absorption à l’angle de Brewster
Je vais ici présenter les résultats de mesures réalisées à l’angle de Brewster sur une struc- ture possédant une couche d’InGaAs de 45 nm dopé à 1.6×1019cm−3, entouré de barrières
Figure 1.21 – Schéma du montage expérimental permettant la mesure du spectre de transmis- sion à l’angle de Brewster.
d’AlInAs de 15 nm. L’échantillon a été préparé comme indiqué précédemment. Toutes ces mesures ont été réalisées à 300 K.
J’ai tout d’abord procédé à la mesure des spectres de transmission en polarisation TM et TE lorsque la lumière traverse la couche dopée. Ces mesures sont présentées en noir dans les deux panneaux de la figure 1.22.
(a) (b)
Figure 1.22 – (a) Comparaison des spectres de transmission en polarisation TM sur l’échan- tillon (noir) et sur la partie gravée (rouge). L’absorption du plasmon est indiquée par une flèche bleu. (b) Spectres obtenus en polarisation TE sur l’échantillon (noir) et sur la partie gravée (rouge).
J’ai ensuite réalisé les mêmes mesures sur la partie de l’échantillon où la gravure a été réalisée. Les résultats de cette mesure sont présentés en rouge dans les deux panneaux de la figure 1.22. Si nous comparons les spectres TM (panneau (a)) dans les deux cas nous pouvons remarquer une légère absorption à 166 meV (indiqué par la flèche bleu).