4.2 Influence de la chimie de surface du diamant sur les performances op-
4.2.3 Mise en évidence de la conductivité de surface de type p du
Après avoir confirmé que les traitements de surface utilisés modifient correctement l’état de surface des films de diamant lissés, ils ont été appliqués aux CPh qui ont ensuite été caractérisés optiquement.
4.2.3.1 Analyse optique
Avant toute modification de surface, le spectre en transmission d’une cavité fendue à cristal photonique en sortie de processus de fabrication a été enregistré pour nous servir de référence. La période du CPh analysé vaut a = 630 nm et la cavité est créée avec un décalage des trous centraux de 9 nm. Le spectre en transmission de ce CPh est présenté sur la figure4.5a. Un facteur Q de 2000 a été mesuré à une longueur d’onde de résonance de 1640.8 nm. Un CPh ayant une barrière courte a été choisi afin de maximiser la valeur des transmissions pour les mesures expérimentales. Le couplage étant plus faible, un facteur Q plus faible est alors obtenu. Cependant, cette valeur reste parfaitement adaptée pour les études chimiques que nous avons réalisées comme cela sera démontré.
Les longueurs d’onde de résonance et les facteurs de qualité de cette même cavité ont alors été comparés après différents traitements de surface successifs, à savoir une hydrogénation et une oxydation. La figure 4.5b représente les spectres en transmission de la cavité pour différents états chimiques de surface. La courbe rouge correspond à la cavité à CPh tout juste hydrogénée. Nous pouvons noter que le pic de résonance a été fortement décalé vers les plus courtes longueurs d’onde de 1640.8 nm à 1554.1 nm, et que la valeur du facteur Q a diminué pour atteindre une valeur de 650, une
1600 1610 1620 1630 1640 −30 −25 −20 −15 −10 −5 Longueur d’onde (nm) Transmission (dB) Transmission initiale (a) 1530 1540 1550 1560 −30 −25 −20 −15 −10 Longueur d’onde (nm) Transmission (dB) H+15 H Ox (b)
Figure 4.5 – Spectres en transmission de cavités à cristaux photoniques pour différents états de surface. Les paramètres du CPh considéré sont : a = 630 nm, r = 0.31a, l = 135 nm, longueur de barrière = 8, d = 9 nm. (a) Spectre d’un CPh en fin de réalisation technologique. (b) Rouge : CPh hydrogéné - Noir : CPh hydrogéné après 15 jours – Bleu : CPh oxydé.
valeur trois fois inférieure à la valeur initiale. Le décalage en longueur d’onde vers le bleu peut s’expliquer par la gravure de 6nm, confirmée par ellipsométrie, durant l’étape d’hydrogénation. Une telle gravure de la surface est inhérente au traitement d’hydrogénation par plasma qui a ici été particulièrement poussé. Toutefois, il a été montré par les analyses XPS qu’elle n’affecte pas la qualité de l’état de surface du diamant. En revanche, la gravure n’explique pas pourquoi le facteur de qualité diminue.
Afin de voir si ce résultat est gouverné par l’état de surface, l’échantillon a été laissé à l’air pendant 15 jours puis celui-ci a de nouveau été caractérisé en transmission. La courbe correspondante est représentée en noir sur la figure 4.5b. Étonnamment, le pic de résonance se décale vers les plus grandes longueurs d’onde avec un décalage mesuré de +1.1 nm (1555.2 nm), et le facteur de qualité réaugmente pour atteindre une valeur de 1050.
Enfin, la dernière courbe en transmission représentée en bleu correspond au spectre en transmission de la cavité après un traitement d’oxydation. Le décalage en longueur d’onde vers le rouge est encore observé, avec une valeur de 1.1 nm (1556.3 nm), et le facteur de qualité retrouve sa valeur initiale de 2000. La transmission évolue également au fur et à mesure des différents traitements de surface. Celle-ci augmente lorsque l’échantillon passe d’un état hydrogéné à un état oxydé. Ce phénomène est
particulièrement visible dans la gamme de transmission pour des longueurs d’onde inférieures à 1550 nm, mais aussi à la fréquence de résonance.
4.2.3.2 Effet des modifications chimiques de surface sur la réponse optique
De ces expérimentations, il est possible de conclure que les propriétés des CPh en diamant dépendent fortement de leur état de surface. Ils sont très sensibles à la nature des terminaisons de surface, ce qui a pu être démontré avec la position des pics de résonance et les valeurs des facteurs de qualité.
Étant donné que les modifications qui ont été effectuées à la surface du diamant sont très petites, on s’attend à ce que la variation de l’indice de réfraction en soit de même. L’évolution de la fréquence de résonance et du facteur Q peut donc être estimée grâce à la théorie des faibles perturbations du premier ordre. En effet, rappelons que le décalage en fréquence de la résonance de la cavité induit par une perturbation 4ε = 4(n2) de la constante diélectrique, où n représente l’indice de réfraction, peut être calculé avec une précision au second ordre par la formule :
∆ω = −ω2 ˝
∆ε(−→r ) |−→E(−→r) |2 d3−→r ˝
ε(−→r) |−→E(−→r) |2 d3−→r + O(∆ε2) (4.1) où−→E(−→r) est le champ électrique du mode résonant non perturbé [31]. Une per-turbation causée par une faible absorption peut être représentée mathématiquement par la partie imaginaire dans l’expression de l’indice de réfraction ou de la constante diélectrique. Appliquée à l’équation4.1, l’introduction d’une partie imaginaire conduit alors à un décalage en fréquence complexe. La partie imaginaire de ce décalage en fré-quence représente un champ décroissant selon e−=(∆ω)t, ou en d’autres mots un mode de cavité dont le facteur de qualité vaut Qa = 2=(4ω)ω . Le facteur de qualité total de la cavité est alors exprimé selon l’équation 4.2 :
1
Qt= 1
Qu+ 1
Qa (4.2)
où Qu est le facteur de qualité de la cavité non-perturbée.
Dans ce cas-ci, le champ −→E(−→r) a été calculé par FDTD 3D, puis la méthode perturbative a été appliquée pour calculer les décalages en fréquence. L’avantage de procéder ainsi est que cela nous permet d’obtenir les résultats plus rapidement qu’avec un calcul 3D complet.
à un état oxydé la modification chimique est de l’ordre d’une couche atomique, la modification de l’indice de réfraction à la surface a lieu sur une épaisseur de quelques Ångströms. Cependant, la faible variation de l’indice optique assimilée à une telle modification n’est pas compatible avec la valeur du décalage en longueur d’onde de 2 nm observé sur les spectres. De toute évidence, il faut également considérer que des molécules adsorbées ou des groupes d’adsorbats sur une épaisseur de quelques nanomètres ont pu se déposer à la surface. Dans ce cas-ci le décalage peut atteindre la valeur de 2 nm observée. Cependant, ces adsorbats devraient être détruits par le traitement UV/ozone. De plus, si cette hypothèse s’avérait vraie, alors la valeur du facteur de qualité ne réaugmenterait pas dans la mesure où ces adsorbats ne peuvent apporter de gain optique à la cavité. Plus spécifiquement, nous pouvons constater que le facteur de qualité retrouve sa valeur initiale, ce qui laisse supposer qu’il ne s’agit pas seulement d’un effet chimique mais qu’il existe bel et bien un phénomène interne lié aux propriétés du film de diamant.
Effet du dopage par transfert de charge
Le modèle du dopage par transfert de charge permet d’expliquer ce phénomène [258]. Comme évoqué au paragraphe4.2.1.2, la terminaison hydrogénée du diamant lui confère des propriétés électroniques spécifiques [264], et la surface devient conductrice. La formation de la SCL liée au dopage par transfert de charge a déjà été largement étudiée dans la littérature, et il a été montré que cette dernière disparait lorsque la surface est oxydée. L’épaisseur de la couche conductrice de surface n’a toujours pas été déterminée précisément mais on suppose qu’elle est comprise entre 5 et 30 nm [265, 266]. L’existence d’une telle couche peut avoir par conséquent une influence sur les propriétés optiques du diamant, mais, à notre connaissance, cela n’avait jamais été démontré avant ce travail de thèse.
Le phénomène d’absorption inhérent aux matériaux conducteurs serait une ex-plication cohérente avec l’évolution du facteur de qualité mesurée expérimentalement. Lorsque la surface est tout juste hydrogénée, la conductivité de surface est impor-tante. Les pertes le sont donc aussi et la partie imaginaire de l’indice de réfraction augmente. Cette conductivité se dégrade partiellement lorsque l’échantillon vieillit à l’air [253,267], puisque celui-ci s’oxyde spontanément. Cette oxydation reste cependant limitée, seules quelques terminaisons oxydées se créent parmi les terminaisons hydro-génée [268]. En revanche, la conductivité disparait complètement lorsque la surface est entièrement oxydée sous UV/ozone, ce qui par conséquent annule la composante imaginaire de l’indice de réfraction. Par ailleurs, la transmission réaugmente au fur et à mesure que la conductivité de surface disparaît puisque les pertes de propagation
inhérentes à l’hydrogénation dans les guides et la cavité diminuent. La transmission du CPh à la fréquence de résonance peut aussi être corrélée aux pertes de la cavité, cependant, à l’inverse de la mesure du facteur de qualité, celle-ci dépend également de l’évolution du coefficient de couplage et de la transmission dans le guide d’accès du diamant hydrogéné.