Première génération de photodiodes accordables

iii. Mesures localisées au FTIR et observation de domaines

Pour cette première réalisation, le filtre était composé de 2 périodes sur la face arrière et de 4 périodes sur la face avant. La surface des composants réalisés sur un premier quart de plaque a été tout d’abord observée au microscope du FTIR entre polariseurs croisés. Nous avons constaté que la présence de reliefs autour des mesas (hauteur~1 µm) et des bandes de contacts métalliques a entraîné la création de très nombreux domaines pour les CL lors du remplissage sous vide (Figure III-10).

Figure III-10 : Photodiodes vues au microscope optique entre polariseurs croisés et plan du masque de photolithographie du niveau de contact métallique

Nous avons néanmoins pu réaliser des mesures de réflectivité localisées au FTIR sur des photodiodes de la zone la moins perturbée (zone A2) en appliquant une tension entre le contact ITO et l’anode des photodiodes. Les mesures ont été réalisées au centre d’un composant circulaire de 380 µm de diamètre sur une surface de 150 x 150 µm², ce qui correspond à la zone la plus grande possible sans domaine (Figure III-11 (a)). Nous avons mesuré un ISL de 106 nm, conforme aux attentes. La position spectrale du pic de résonance a été relevée pour chaque valeur de tension appliquée (Figure III-11 (b)). La résonance se déplace comme prévu vers les longueurs d’ondes plus courtes. Ceci correspond bien à une diminution de la valeur de l’indice extraordinaire (ne). Nous avons de plus mesuré un seuil de 3 V et une accordabilité de 90 nm

sans saut de mode pour seulement 10 V appliqués.

A2 Problème mesa

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Figure III-11 : (a) Photo au microscope du FTIR de la zone de mesure de 150 x 150 µm² au centre d’une photodiode de 380 µm de diamètre (b) courbe d’accordabilité spectrale obtenue

Ceci permet donc de valider la faisabilité de notre technologie sur un composant III-V actif, avec des performances spectrales équivalentes à celles observées sur les filtres sur verre. Toutefois, ce résultat n’est pas satisfaisant en raison de la très forte inhomogénéité de fonctionnement créée par les domaines et nous avons donc recherché une solution pour améliorer l’uniformité d’alignement des CL.

iv. Accordabilité et uniformité après application d’un traitement de surface Nous avons décidé d’appliquer un traitement hydrophile juste avant l’étape de capotage pour améliorer les conditions de remplissage des CL et limiter ainsi les domaines observés. Celui-ci consiste à réaliser un dépôt d’une fine couche de SiO2 directement sur le réseau

d’alignement en SU-8 à l’aide d’un équipement de SPD (Surface Preparation Deposition) pour rendre sa surface plus hydrophile. Cet équipement de dépôt est dédié aux préparations de surface variées au sein de notre salle blanche (modification de mouillabitilité, dépôt de SAM (Self Assembled Monolayers [99]) grâce à des dépôts en phase vapeur de couches d’épaisseurs très faibles (de l’ordre du nanomètre).

- Effet du traitement

Avec l’aide de Fabien Mesnilgrente, ingénieur d’étude dans notre plateforme technologique, nous avons réalisé un dépôt de SiO2 de quelques nanomètres –soit 5 minutes-

sur le réseau d’un second quart de plaque juste avant le capotage. Comme on peut le voir sur la Figure III-12, ce traitement hydrophile améliore clairement l’uniformité de l’ancrage des CL par rapport au cas précédent (Figure III-11 a). Les deux images prises au microscope du FTIR entre polariseurs croisés avec deux orientations à 90° montrent qu’on obtient bien cette fois-ci une extinction uniforme sur la surface de la matrice, ce qui n’était pas le cas précédemment.

0 2 4 6 8 10 1480 1500 1520 1540 1560 1580 Po si tio n p ic (n m) tension appliquée (V) 90 nm 150 µm 1₅ 0 µ m (a) (b)

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Figure III-12 : Photos prises au microscope polarisé après traitement hydrophile de 5 minutes de dépôt SiO2 suivant deux orientations différentes d’un des deux polariseurs (0 et 90°)

L’application de ce traitement a donc apporté une amélioration significative de l’uniformité des CL après remplissage des cavités. Malgré la très faible épaisseur du dépôt, nous avons cependant constaté lors de la caractérisation optique l’apparition d’un inconvénient lié à ce traitement. Il a en effet conduit à une diminution importante de la plage d’accordabilité spectrale, de 90 nm à environ 55 nm (Figure III-13).

Figure III-13 : Courbe d’accordabilité sur une photodiode après un traitement SiO2 de 5 minutes

L’ajout du traitement SiO2 semble donc modifier l’ancrage ou « prétilt » des CL. Suite

à des essais complémentaires menés avec l’IMT Atlantique (L. Dupont), sur des substrats comportant nos réseaux en SU-8 et assemblés en macro-cellules, nous sommes arrivés à la conclusion que les molécules de CL « voient » la très légère modification de l’état de surface après l’ajout de la fine couche de SiO2 et ne s’orientent plus tout à fait horizontalement le long

des lignes du réseau, mais avec un angle de pré-tilt α de quelques degrés (Figure III-14). Or, la variation d’indice optique extraordinaire des CL est liée à la modification de leur inclinaison par les lignes de champ [100]. Dans le cas où on a un pré-tilt, la biréfringence effective des CL est réduite et par conséquent la gamme d’accordabilité va l’être également.

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 Po si tio n p ic (n m) Tension appliquée (V) Mode 1 Mode 2 56 nm 53 nm

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Figure III-14 : Schéma représentant une surface nanostructurée plane avec un ancrage sans traitement SiO2 (a) avec un traitement SiO2 de 5 minutes (b)

- Réduction de la durée de traitement

Nous avons donc décidé de réduire la durée du dépôt SiO2 à une minute pour minimiser

cet effet tout en conservant son effet bénéfique sur l’uniformité de remplissage perturbé par les reliefs et les différents matériaux. Nous avons pu vérifier qu’une homogénéité suffisante des CL pouvait être obtenue pour cette durée (Figure III-15). De plus, l’ISL et la gamme spectrale sont cette fois identiques à ceux mesurés sans traitement (Figure III-16). Notons que nous avons mené récemment dans le cadre d’un stage DUT (E. Galinier) une étude complémentaire sur l’influence de la profondeur du réseau d’ancrage et de la durée du traitement de surface sur l’uniformité d’alignement. Celle-ci a confirmé qu’un traitement de 1 minute était suffisant.

Figure III-15 : Photos au microscope polarisé pour des composants ayant subi un traitement hydrophile de 1 minute (dépôt SiO2) suivant deux orientations différentes d’un des deux polariseurs (0 et 90°)

Figure III-16 : Position spectrale du pic de transmission en fonction de la tension appliquée sur un composant ayant subi un traitement SiO2 de 1 minute.

Surface traitée SiO2

α

Surface non traitée

Réseau d’ancrage CLs 0 2 4 6 8 10 1450 1475 1500 1525 1550 1575 Longueur d' onde (nm ) Tension CL (V) Positions pic 106nm (a) (b)

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v. Photocourant en fonction de la tension appliquée sur les CL

Des mesures préliminaires du photocourant sous pointes en fonction de la tension ont pu être réalisées au LAAS sur les composants traités 1 minute à l’aide d’un laser Tunics accordable entre 1530 et 1580 nm.

Notre montage optique n’était pas optimisé pour ce domaine spectral et nous n’avons donc pas pu mesurer la taille et la puissance du faisceau sonde. Ces mesures ne sont donc pas normalisées. Néanmoins, nous avons pu observer que pour une longueur d’onde donnée du laser de sonde, on obtient bien un pic de photocourant en faisant varier la tension appliquée aux bornes de la microcellule à CL. De plus, la tension pour laquelle on obtient le pic de photocourant varie lorsque la longueur d’onde sonde varie, ce qui constitue une première démonstration de l’accordabilité de la photodétection (Figure III-17). On retrouve en outre un très bon accord entre la position spectrale des pics de photocourant observées pour les différentes tensions appliquées avec la position des résonances du filtre accordable mesurées précédemment au FTIR [101] (Figure III-18).

Figure III-17 : Courbes de photocourant obtenues pour différentes longueurs d’onde laser (1570 nm, 1550 nm et 1530 nm) en fonction de la tensions VCL appliquée

Figure III-18 : Position des pics de photocourant (carrés rouges) et de la résonance de la cavité Fabry-Pérot (FTIR carrés noirs) en fonction de la tension VCL [101]

0 2 4 6 8 10 12 14 0 50n 100n 150n 200n =1570 nm =1550 nm P h o to -c o u ra n t (A )

Tension de commande des CLs V_CL(V)

=1530 nm -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Résonance de la cavité Fabry-Pérot Pics de photocourant Longueur d' onde (nm ) Tension appliquée V_CLs (V)

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Ces composants ont été par la suite plus précisément caractérisés par l’Institut FOTON avec un montage optique adapté. Toutefois, la largeur spectrale à mi-hauteur du pic de photodétection s’est avérée trop élevée pour cette première génération (4 nm), il a donc été décidé de fabriquer une deuxième génération de photodiodes comportant un filtre de plus grande finesse, avec 3 périodes pour le miroir arrière et 5 périodes pour le miroir avant. Nous allons donc directement détailler les résultats obtenus sur ces photodiodes de deuxième génération.

1.8. Deuxième génération de photodiodes accordables