caractérisations optique et électrique de vcsels mesa et alox

Rapport de stage

Caractérisations optiqueCaractérisations optique et électrique de VCSELset électrique de VCSELs

mesa et AlOxmesa et AlOx

Nicolas RIVIERE

DEA Micro-Ondes et Télécommunications Optiques Spécialité Transmissions optiques

Université Paul Sabatier Toulouse III – ENSAE – ENSEEIHT – ENAC

Responsables de stage Recherche Véronique BARDINAL-DELAGNES Charlotte BRINGER

Instrumentation Corinne VERGNENEGRE

Janvier - juillet 2002

LAAS-CNRS Groupe Photonique 7 avenue du Colonel Roche - 31077 Toulouse cedex 4 – France

Tél. 05 61 33 62 00 – Site internet http://www.laas.fr

LAAS – CNRS Nicolas Rivière – 2002

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« La connaissance s'acquiert par l'expérience,

tout le reste n'est que de l'information. »

Albert Einstein (Nobel de Physique 1921)


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Les travaux exposés dans ce mémoire ont été réalisés dans le groupe Photonique du LAAS-CNRS

(Laboratoire d’Analyse d’Architecture des Systèmes) de Toulouse.

Ce stage n’aurait pu voir le jour sans la présence de Monsieur Antonio MUNOZ-YAGUE, directeur de

recherche et responsable du groupe Photonique. Je tiens à lui exprimer toute ma gratitude pour

m’avoir accueilli au sein de son laboratoire. Je remercie également Madame Chantal FONTAINE,

directeur de recherche, qui a bien voulu me faire une place dans son bureau pour que je profite

pleinement de sa passion pour l’épitaxie.

J’adresse ma plus vive reconnaissance à Madame Véronique BARDINAL-DELAGNES pour son

soutien et sa patience dans les nombreuses explications sur le principe des lasers à cavité verticale

(VCSELs). Je n’oublierai pas non plus son grand dévouement et son aide précieuse. Ses compétences

scientifiques et ses conseils avisés m’ont très certainement aidé à la réalisation de ce travail.

Je souhaiterai mettre à l’honneur Charlotte BRINGER qui m’a fait profiter de sa toute nouvelle

expérience de doctorant. Sa compétence dans le domaine des matériaux m’a permis d’affiner mes

connaissances sur le fonctionnement des VCSELs.

Un grand merci à Corinne VERGNENEGRE pour sa gentillesse, sa disponibilité et son aide dans

l’élaboration des expériences. Je remercie également pour ses conseils Thierry CAMPS, le grand

spécialiste de l’électronique pour qui l’électron n’a plus de secret et qui sait si bien nous faire partager

sa bonne humeur.

Merci à Emmanuelle DARAN, à Elena BEDEL et à Pascal Dubreuil qui ont consacré leur précieux

temps pour répondre à mes questions et qui m’ont fait partager leur passion pour la recherche.

De nombreuses personnes ont aussi croisé ma route pendant ces six mois de stage. Je tiens à féliciter

les jeunes du LAAS pour leur formidable énergie. Merci à Hélène, à Benoît, à Pascal, à Lucia, à

Stéphanie, à Alex, à Jérôme, à Damien pour ses conseils en VB et à Amir pour son enthousiasme

légendaire…


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SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................... 1

CHAPITRE I : PRESENTATION DES VCSELS ............................................................................ 2

I.1 – Généralités sur le fonctionnement laser ................................................................. 2

I.2 – Lasers à semi-conducteurs ................................................................................... 3

I.3 – Lasers à émission par la surface ........................................................................... 4

I.4 – Description des VCSELs ..................................................................................... 5

I.5 – Avantages des VCSELs ...................................................................................... 6

I.6 – Epitaxie des structures ......................................................................................... 8

I.7 – Fabrication technologique des VCSELs ................................................................. 9

I.7.1 – Technologie mesa ................................................................................. 9

I.7.2 – Technologie AlOx ................................................................................. 11

CHAPITRE II : BANC DE CARACTERISATION – TRAVAIL REALISE .............................................. 13

II.1 – Banc vertical de mesure du LAAS-CNRS ........................................................... 13

II.1.1 – Description du banc existant ................................................................ 13

II.1.2 – Améliorations du banc de caractérisation .............................................. 15

II.2 – Caractérisations possibles ................................................................................... 16

II.2.1 – Champ proche et champ lointain ........................................................... 16

- Champ proche ............................................................................... 16

- Champ lointain ............................................................................... 17

II.2.2 – Caractéristiques L.I.V. ........................................................................ 18

II.2.2.1 – Description de l’expérience ................................................ 18

II.2.2.2 – Mise en place de mesures automatisées .............................. 18

- Alimentation Profile PRO8002 .................................... 19

- Alimentation Keithley 2520 ......................................... 20

- Programme d’acquisition des données ........................... 21

II.2.3 – Analyses spectrales ............................................................................. 23

II.2.3.1 – Spectre d’émission ............................................................ 23

II.2.3.2 – Cartographie et mesure de la réflectivité ............................. 25

- Description du principe ................................................. 25

- Spectre de réflectivité sur banc optique vertical .............. 25

II.3 – Conclusion ......................................................................................................... 28


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CHAPITRE III : ANALYSE DE COMPOSANTS – TRAVAIL REALISE .............................................. 29

III.1 – VCSELs à diaphragme d’oxyde ......................................................................... 29

III.1.1 – Etude de la cinétique d’oxydation ........................................................ 30

III.1.2 – Influence de la forme des mesas ......................................................... 30

III.2 – Influence de la taille du diaphragme d’oxyde sur les performances du composant .. 32

III.2.1 – Vérification du caractère isolant de l’oxyde d’aluminium ....................... 32

III.2.2 – Influence de la taille du diaphragme sur le courant de seuil..................... 33

III.3 – Fonctionnement en détecteur ............................................................................. 34

III.4 – VCSELs mesa de grande taille .......................................................................... 36

III.4.1 – VCSELs standards ............................................................................. 37

III.4.2 – VCSELs en forme de bande ............................................................... 38

CONCLUSION GENERALE ......................................................................................................... 41

BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 42

ANNEXES ............................................................................................................................... 44

Annexe 1 – Caractéristiques des sources en courant ..................................................... 45

Annexe 2 – Programme d’acquisition de la puissance optique et de la tension en

fonction du courant (VIP) .......................................................................... 46 Annexe 3 – Programme d’acquisition du Lyot ............................................................... 50


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INTRODUCTION GENERALE

Ce stage de DEA a été réalisé dans l’équipe EMACO du groupe Photonique du LAAS-CNRS de

Toulouse. Un des axes de recherche de ce laboratoire d’accueil porte sur l’étude de composants pour

l’optoélectronique et les télécommunications optiques.

Ces dernières années ont vu l’émergence de l’optique dans le secteur des télécommunications,

principalement par le biais des transmissions par fibre optique, qui ont stimulé le développement de

nombreux dispositifs optoélectroniques. Ces dispositifs sont destinés tant à la génération qu’à la

transmission ou encore au traitement du signal.

L’effort se porte sur des nouveaux composants performants, fiables et de faible coût, notamment au

niveau du composant source qui est l’élément clé des applications visées. C’est dans ce contexte que

les lasers à cavité verticale à émission surfacique (VCSELs) ont été développés et ont drainé un effort

intense de recherche. L’idée en a été évoquée pour la première fois dans les années 80 par Iga et al. et

les premiers résultats sur des lasers fonctionnant en régime électrique continu ont été publiés dix ans

plus tard par ces mêmes auteurs. Depuis, de nombreux travaux ont été menés sur ce composant, d’une

part au niveau des éléments qui les constituent (réflecteurs et cavités à puits quantiques), et d’autre

part sur la technique de fabrication qui conduit aux confinements optique et électrique.

C’est dans ce contexte que s’est déroulé mon stage qui porte sur les « caractérisations optique et

électrique de VCSELs mesa et AlOx ». Dans la première partie du mémoire, nous décrirons les

VCSELs et leurs avantages. Ensuite, nous exposerons les méthodes de fabrication possibles et le

processus d’oxydation humide pour concevoir des composants avec un diaphragme d’AlOx enterré,

technique qui a été développée ces dernières années au LAAS. Le second chapitre est consacré au

travail expérimental réalisé pendant ce stage sur l’optimisation du banc vertical de caractérisation

utilisé dans de nombreuses expériences. Dans le dernier chapitre, nous présenterons la caractérisation

de VCSELs rendue possible sur ce banc de mesures. Enfin, nous conclurons sur l’ensemble du travail

réalisé et sur les perspectives qu’il permet d’ouvrir.



CHAPITRE I

PRESENTATION DES VCSELS

Depuis la découverte par Albert Einstein de l’émission stimulée en 1917, les lasers et leurs

applications n’ont cessé de se développer. Au cours de ces dernières années, la percée la plus

remarquable dans le domaine des lasers a été celle des lasers à semi-conducteurs. Les diodes lasers,

dont nous expliquerons le fonctionnement dans la suite de ce chapitre, ont permis de gagner au moins

un ordre de grandeur sur le rendement électrique-optique des systèmes, sur leur durée de

fonctionnement sans maintenance et sur leur miniaturisation. Dans un premier temps, nous

rappellerons les principes fondamentaux de l’émission laser puis nous nous intéresserons au

fonctionnement des lasers à semi-conducteurs. Les dernières parties de ce chapitre sont consacrées aux

VCSELs réalisés au sein du laboratoire LAAS-CNRS de Toulouse. Nous aborderons enfin les

différentes méthodes de fabrication des VCSELs après en avoir présenté les avantages.

I.1 - GENERALITES SUR LE FONCTIONNEMENT LASER

Le mot laser est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission Radiation et met en

évidence le fonctionnement de ces oscillateurs du domaine optique où les oscillations sont observées

dans le milieu amplificateur constitué d’atomes ou de molécules. La réinjection en phase vers l’entrée

de l’amplificateur d’une partie du signal amplifié est assurée par une cavité jouant le rôle de circuit de

réaction et de filtre à bande étroite[01]. Deux niveaux d’énergie E1 et E2 sont couplés au rayonnement

de fréquence υ = (E2-E1)/h par les processus d’émission spontanée, d’émission stimulée et

d’absorption. Il faut donc réaliser une inversion de population entre ces deux niveaux énergétiques en

apportant au milieu matériel une puissance extérieure (pompage du laser). L’émission induite est la

base du fonctionnement laser : tous les photons sont identiques car l’onde est cohérente. De plus, les

lasers ont une faible largeur spectrale (monochromatisme), une forte directivité et peuvent parfois

fournir de fortes intensités de puissance.


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Figure 1 – Représen

La cavité Fabry-Pérot constituée de deux miroirs

interférences sont constructives. La longueur d’on

cavité L ainsi que de l’indice du milieu amplifica

n2kL

⋅λ⋅= ; k entier

Il existe plusieurs types de lasers dont le prin

conception varie[02]. Le cas particulier des diode

lasers compacts commerciaux car leurs avantages

I.2 - LASERS A SEMI-CONDUCTEURS

Les premières diodes lasers furent réalisées à p

matériaux dont les alliages sont identiques mais

60 et au début des années 70, Alferov1 et Hayash

Elle consiste à insérer entre les matériaux dopés

qui présente une énergie de bande interdite plus

de pouvoir confiner l’onde optique en réalisant u

la zone de confinement est supérieur à celui des z

Les lasers à émission par la tranche (figure 2) so

miroirs fermant la cavité (résonateurs optique

réfléchis successivement par les deux miroirs pl

dans le cas des III-V : l’indice (n~3,5) des ma

faisceau laser émis par de telles structures est d

sortie. La divergence mesurée est assez importa

émission par la tranche. Cet effet est dû au fait q

de la zone active. L’ouverture angulaire θ du d

directions : θ┴ de l’ordre de 20° et θ// de l’ordre d

1 Prix Nobel de Physique en l’an 2000 pour ses recherches d

Zone

Miroir 1

Pompage externe

3

tation d’une cavité laser.

réfléchissants réalise la sélection en fréquence si les

de d’émission λ du laser dépend de la longueur de sa

teur n :

quelconque Equation (1)

cipe de fonctionnement est identique mais dont la

s lasers à semi-conducteurs concerne la plupart des

économiques sont importants.

artir d’une homojonction P-N i.e. à partir de deux

dont les dopages sont différents. A la fin des années

i ont démontré l’intérêt d’une double hétérostructure.

P et N une fine couche de matériau semi-conducteur

faible. Cette structure possède également l’avantage

n guide d’onde[03]. En effet, l’indice de réfraction de

ones dopées.

nt caractérisés par des faces clivées jouant le rôle de

s). Les photons produits dans la zone active sont

ans avec un coefficient de réflexion proche de 33 %

tériaux utilisés est plus élevé que celui de l’air. Le

e forme elliptique à cause de la forme de la face de

nte et constitue un des points faibles des diodes à

ue le champ proche est très petit devant la dimension

iagramme de rayonnement est définie suivant deux

e 10°.

ans ce domaine.

hυ active

L

Miroir 2



Figure 2 – Représentation simplifiée d’une diode à émission par la tranche.

L’intégration de composants optiques dans les circuits micro-électroniques et l’insertion de

l’optoélectronique dans le domaine du traitement de l’information ouvrent de nouvelles perspectives

mais nécessitent la création de nouveaux composants.

I.3 - LASERS A EMISSION PAR LA SURFACE

La réalisation de diodes à émission surfacique (émettant perpendiculairement au substrat) est plus

récente et trois approches différentes ont été suivies pour la conception de ce type de diode[04].

La première consiste à conserver une cavité horizontale conventionnelle et à la coupler avec un

déflecteur à 45°. Un miroir à 45° est incorporé à l’intérieur ou à l’extérieur de la cavité par un procédé

de gravure sèche (figure 3).

Figure 3 – Intégration d’un miroir de renvoi.

La deuxième solution envisagée utilise les propriétés des réseaux de Bragg du deuxième ordre afin de

constituer une cavité à contre réaction répartie du type DFB (Distributed FeedBack) ou à réflecteurs

de Bragg distribués de type DBR (Distributed Bragg Reflector). L’ordre deux des réseaux procure la

contre-réaction optique tandis que l’ordre un réalise l’émission verticale de la diode.

GaAs

GaAlAs dopé N

GaAlAs dopé P

Electrode positive

Electrode négative

θ┴

θ//

Miroir à 45° Miroir à 45°

Substrat

Confinement P

Confinement N

Milieu actif



Cette cavité est constituée de trois parties distinctes : la zone de gain, semblable à celle de la diode

conventionnelle, dans laquelle a lieu l’amplification du rayonnement et les deux zones latérales (zones

de réseau) qui jouent le rôle de miroir et de filtre fréquentiel (figure 4).

Figure 4 – Intégration d’un réseau gravé.

La dernière approche repose sur une cavité verticale délimitée par des miroirs parallèles au plan des

couches. Ces diodes sont étudiées au sein du groupe Photonique, dans l’équipe EMACO du LAAS-

CNRS de Toulouse. L’étude que nous avons menée tout au long de ce stage concerne donc ces

composants que nous détaillons dans les paragraphes suivants.

I.4 - DESCRIPTION DES VCSELS

Les VCSELs ou Vertical Cavity Surface Emitting Lasers sont constitués d’une micro-cavité verticale

Fabry-Pérot dont la zone active est formée dans notre cas par plusieurs puits quantiques de GaAs (ici,

au nombre de trois) entourés de barrières de Ga0,7Al0,3As (figure 5). Le but du puits quantique est de

confiner les électrons dans une seule direction de l’espace et de diminuer le seuil laser du composant.

En effet, les niveaux énergétiques que peuvent atteindre ces porteurs sont directement définis par les

dimensions du puits (cf. équation 1 du I.1). Le contrôle de la largeur de la bande interdite détermine

donc la longueur d’onde d’émission du laser.

Contrairement aux diodes classiques, les miroirs de la cavité ne sont pas réalisés par clivage des faces.

On conçoit un miroir de Bragg en alternant des couches de matériaux d’indices optiques différents et

d’épaisseur proportionnelle à λ/4. La superposition périodique de couches minces d’AlAs (faible

indice optique) et de Ga1-xAlxAs (indice plus fort) augmente la réflectivité des miroirs[05]. Cette

réflectivité sera d’autant plus grande que le nombre de périodes et le saut d’indice seront élevés : elle

peut atteindre 99 % à la longueur d’onde de conception si on considère une vingtaine de bi-couches et

un saut d’indice égal à 0,5. A titre de comparaison, rappelons que le coefficient de réflectivité pour des

diodes à émission par la tranche est de l’ordre de 30 % (pour une face clivée).

Zone de réseau Zone de gain

Substrat

Confinement P

Confinement N

Milieu actif

Zone de réseau



Figure 5 – Photographie TEM d’un VCSEL et détail des couches qui le composent.

La condition Fabry-Pérot (cf. équation 1) fait correspondre à la longueur d’onde d’émission un seul pic

de résonance de la cavité. Dans ces conditions, le gain du puits quantique et la réflectivité des miroirs

de Bragg distribués sont accordés et conduisent à l’effet laser et à un fonctionnement monomode

longitudinal de la cavité.

I.5 - AVANTAGES DES VCSELS

Ces vingt dernières années, de nombreuses recherches ont été menées sur les VCSELs car leurs

performances et leurs propriétés laissent envisager des applications très intéressantes, notamment dans

le domaine des communications de données. Leurs principaux avantages par rapport aux diodes

conventionnelles sont liés à leur géométrie verticale[06].

La hauteur de la cavité laser des VCSELs est de dimension relativement faible (de l’ordre du

micromètre) et permet l’obtention d’une émission monomode longitudinale. La variation de la

longueur d’onde en fonction des variations thermiques est souvent faible, rendant inutile l’utilisation

d’éléments de contrôle. A titre de comparaison, la longueur d’onde d’un VCSEL en fonction de la

température varie de 0,06 nm.K-1 tandis que dans le cas des diodes à émission par la tranche, on

obtient une variation de 0,3 nm.K-1. Depuis 1989, on peut utiliser des VCSELs à température ambiante

et en régime continu, sans faire appel à des dissipateurs thermiques coûteux et volumineux.

x 19

x 30

λ / n

λ / 4n

λ / 4n

λ / 4n

λ / 4n

λ / 4n

λ / 4n

Cavité non dopée 3 puits quantiques

en GaAs

Miroir « p » dopé Béryllium

Miroir « n » dopé Silicium

GaAs

AlAs

Ga0,88Al0,12As

AlAs

Ga0,7Al0,3As

Ga0,7Al0,3As

AlAs Ga0,88Al0,12As

AlAs

Ga0,88Al0,12As GaAs



Le faible volume actif permet de diminuer le courant de seuil nécessaire pour obtenir l’effet laser. En

effet, l’énergie de commande fournie à ces systèmes sous forme électrique ou optique est très

inférieure à celle fournie aux diodes classiques (dizaines de milliampères). Ainsi, nous avons pu

relever un courant de seuil inférieur à 200 µA dans le cas de composants à technologie AlOx de faible

taille réalisés au LAAS.

Le coût de fabrication d’un VCSEL est relativement faible et comparable à une diode

électroluminescente. Il est en effet possible de délimiter de nombreux dispositifs sous forme de

barrettes ou de matrices par des technologies de fabrication collectives classiques sur une seule

plaquette de semi-conducteur épitaxiée. On peut ensuite tester sous pointes chaque composant avant

même la découpe et le montage sur boîtier car tous les contacts électriques sont dissociés sur la partie

supérieure ou inférieure de la plaquette. Donc, il n’est plus nécessaire d’attendre la fin du processus de

fabrication pour savoir si un élément est défaillant. Nous avons exploité cet avantage dans notre travail

et nous en reparlerons dans le dernier chapitre du rapport.

De plus, les formes de dispositifs envisageables peuvent être nombreuses et variées car elles sont

définies par les seules étapes de la photolithographie, de la gravure ou de la métallisation. Leur faible

encombrement (typiquement 50 µm de large et <10 µm de haut) autorise une densité d’intégration

importante, notamment dans des configurations à deux dimensions pour les applications de l’imagerie,

le traitement matriciel en parallèle des données ou la production de fortes puissances optiques (2,4 W

pour une matrice de 1000 composants).

Le faisceau laser émis perpendiculairement à la surface est symétrique, circulaire et peu divergent (~5°

en angle total). Cette géométrie particulière permet le couplage direct des composants avec des lignes

à transmissions optiques. Contrairement aux diodes à émission par la tranche, on s’affranchit de tout

système correctif (e.g. lentilles) à l’entrée des fibres optiques.

Enfin, des études récentes dans le laboratoire s’attachent à exploiter les VCSELs à la fois comme

émetteurs et comme récepteurs en changeant simplement leurs polarisations électriques. Une telle

utilisation permettrait de réduire le nombre de composants dans une liaison optique bidirectionnelle.

Actuellement, les longueurs d’onde d’émission des VCSELs les plus performants sont proches de

840 nm ou 980 nm et ne permettent pas une utilisation optimale des liaisons par fibres optiques pour

les grandes distances. C’est pourquoi on utilise actuellement ces VCSELs pour les réseaux locaux

(LAN). Les recherches s’orientent toutefois vers des longueurs d’onde plus grandes (1,3 et 1,5 µm)

pour diminuer les effets de dispersion et d’atténuation dans les fibres optiques ainsi que pour

développer des applications télécoms grand public (sécurité oculaire à 1,55 µm).



I.6 - EPITAXIE DES STRUCTURES

Le premier stade de l’élaboration des VCSELs sur GaAs à 0,85 µm concerne la croissance par

épitaxie[05] par jets moléculaires (EJM) de couches minces d’alliages (Ga1-xAlx)As. Cette technique de

croissance qui fait appel à la réaction et à la condensation de flux d’atomes à la surface d’un substrat

porté à une température bien déterminée se déroule sous ultra-vide (<10-10 Torr). L’arsenic (élément

III As4), le gallium et l’aluminium (éléments V) sont introduits dans des creusets puis portés aux

températures définies par l’utilisateur pour obtenir le flux désiré. On porte également l’échantillon à

une température adaptée de l’ordre de 600°C de part et d’autre de la cavité.

Il est nécessaire de doper différemment les deux miroirs de Bragg pour constituer une diode p-i-n. Une

cellule d’évaporation par dopant permet l’incorporation des impuretés dopantes : du béryllium pour la

zone P et du silicium pour la partie N. Le dopage des réflecteurs requiert une attention particulière car

il doit être assez élevé pour assurer une bonne conduction électrique malgré les hétérojonctions

successives formant des barrières de potentiel pour les porteurs. Toutefois, ce dopage doit rester faible

pour éviter les pertes optiques par absorption. Les vitesses de croissance sont relativement faibles et

permettent un contrôle plus facile de la croissance : 0,1 à 1 µm.h-1 soit environ une nanocouche par

seconde. L’alternance périodique des matériaux ayant des indices différents constitue les miroirs.

L’épaisseur de ces couches étant très faible (~ 60 nm), il est nécessaire de changer rapidement le

matériau à déposer. Cette fonction est effectuée par des caches automatisés placés devant chaque

cellule d’évaporation.

L’épitaxie est essentielle dans le déroulement du processus de fabrication des VCSELs puisqu’elle

définit sa géométrie verticale. Une variation de l’épaisseur des couches par rapport à la valeur

recherchée peut générer des variations sur la longueur d’onde d’émission effective du laser et sur ses

performances. Il est donc impératif de respecter la condition de Fabry-Pérot pour obtenir un

fonctionnement optimal du laser. Il faut donc contrôler l’homogénéité et l’épaisseur de chaque couche

sur plus de 100 périodes (soit 12 heures d’épitaxie). Une technique basée sur le contrôle optique en

temps réel a été mise au point par le groupe Epitaxie, MAtériaux et Composants pour

l’Optoélectectronique (EMACO) du LAAS-CNRS de Toulouse pour résoudre ce problème de

contrôle.

Dans un second temps, la structure verticale épitaxiée est processée pour fabriquer les barrettes de

VCSELs. Les techniques utilisées sont des techniques développées classiquement pour les composants

microélectroniques.



I.7 - FABRICATION TECHNOLOGIQUE DES VCSELS

L’équipe Photonique du LAAS-CNRS de Toulouse conçoit et caractérise des VCSELs dont la

fabrication technologique peut différer en fonction des applications recherchées. Pour réaliser le

confinement latéral des porteurs, deux techniques principales sont utilisées : la structure à mesa et le

confinement par couche oxydée (AlOx).

I.7.1 - TECHNOLOGIE MESA

Nous allons décrire les différentes étapes technologiques[07] mises en jeu. La première opération à

effectuer consiste à métalliser la face arrière du substrat (figure 7a) par pulvérisation cathodique

d’AuGe, de Ni puis d’Au. Ce contact servira de cathode aux futurs composants.

Par photolithographie, des plots de résine positive sont ensuite déposés sur la surface épitaxiée

(figure 7b). Ces derniers serviront de masques à la Gravure Ionique Réactive (GIR) utilisant du SiCl4

comme gaz d’attaque. La totalité du miroir supérieur non masqué est alors gravée pour former des

mesas (figure 7c) mais l’étape délicate consiste à s’arrêter assez loin des puits quantiques de la cavité

tout en évitant de stopper la gravure dans une couche d’AlAs (oxydation rapide après exposition à l’air

de l’échantillon). Un contrôle en temps réel de l’épaisseur attaquée a été développé au sein du LAAS-

CNRS. La réflectométrie laser monochromatique (633 nm) est décrite sur la figure suivante.

Figure 6 – Principe du contrôle optique de la gravure.

Enregistreur

PhD

Diode laser

Ampli Passe bas

Bâti de gravure de l’échantillon

PhD = photodiode



Une première métallisation annulaire sur la face avant est ensuite réalisée par une procédure de lift off,

ce qui permet de définir les électrodes pour l’injection du courant dans la diode : des plots de résine

négative sont déposés et le métal Ti/Au est pulvérisé sur toute la surface de l’échantillon (figure 7d).

En présence d’acétone chaud et d’ultrasons, le lift off révèle ensuite les motifs de métallisation.

Après un recuit rapide de l’échantillon (cf. ohmicité des contacts), on dépose à la tournette du

polymère BCB (Benzo-Cyclo-Butène). Ce dernier a pour but de planariser la surface tout en isolant les

mesas les uns des autres et du bas du mesa avant la métallisation finale. Pour achever cette étape, on

recuit le BCB à 210°C sous un flux d’azote (figure 7e) avant d’effectuer une ouverture sur la surface

d’émission laser (figure 7f). La dernière opération (figure 7g) réalise le dépôt du métal final

(connecteurs pour soudure) par une nouvelle procédure de lift off.

Figure 7 – Opérations technologiques pour la fabrication des VCSELs à mesa.

Cette technologie autorise la fabrication de composants possédant un diamètre d’émission assez

important et répond à l’application visée pour l’étude des solitons de cavité. Pour d’autres

applications, il est parfois intéressant de diminuer la taille de la zone d’émission laser des VCSELs en

appliquant d’autres procédures. Ainsi, l’implantation de protons dans la structure a pour avantage de

confiner le courant dans le premier mesa. Toutefois, cette méthode détériore les propriétés optiques et

thermiques en introduisant des défauts non homogènes. Une deuxième alternative a été développée au

laboratoire, elle consiste à introduire un diaphragme d’oxyde enterré dans la structure du VCSEL.

Nous développons cette approche dans le paragraphe suivant.

a) Métallisation face arrière c) GIR CF4 O2 d) Dépôt de métal b) Photolithographie

e) Dépôt de BCB f) Ouverture de la surface g) Dépôt du métal final

Résine Ti/Au

BCB

Substrat


Pour tout renseigneme

I.7.2 - TECHNOLOGIE ALOX

Cette technologie s’appuie sur la technologie mesa avec une étape supplémentaire : le fait d’enterrer

un diaphragme d’oxyde entre l’étape de gravure (figure 7c) et l’étape de métallisation (figure 7d)

permet de recentrer les lignes de courant au centre du mesa et de réduire considérablement le courant

de seuil du composant. On améliore aussi le confinement électrique à l’intérieur de la structure ainsi

que le confinement optique en diminuant la divergence du faisceau laser.

Les étapes supplémentaires à celles imposées pour la fabrication sans diaphragme se situent donc

après la gravure GIR que l’on arrête avant la dernière période. L’échantillon est ensuite recuit

rapidement pendant 30 secondes à 650°C au moyen d’un four de recuit rapide pour bloquer l’oxyde

natif présent sur les flans et éviter l’oxydation ultérieure de ces 19 périodes du miroir supérieur mises

à l’air (figure 8a).

Figure 8 – O

L’échantillon su

couche d’AlAs

décrivons le fon

dernière couche

d’oxyde. La suit

le procédé à part

Diaphragme d’oxyde

H2O + N2H2

a) GIR puis blocagerapide d’oxyde

nt, cliquez http://www.nriv.free.fr 11

pérations technologiques pour la fabrication des VCS

bit ensuite une deuxième GIR sur un diamètre p

du miroir supérieur. En introduisant la plaquett

ctionnement dans la figure 9, on procède en

(figure 8b). La durée d’exposition dans le four

e de la fabrication est ensuite identique à celle d

ir du dépôt du premier métal (figure 7d).

b) Oxydation de la dernièrecouche après GIR

ELs à diaphragme d’oxyde enterré.

lus élevé pour mettre à nu la dernière

e dans le four d’oxydation dont nous

suite à l’oxydation latérale de cette

détermine le diamètre du diaphragme

e la technologie mesa i.e. on reprend


Pour tout renseignement, cliquez http://www

Figure 9 – Des

Nous allons maintenant présente

caractérisations relatives à ces di

Dans le troisième chapitre, nous

VCSELs et en particulier l’évo

expliquerons les phénomènes ph

électrique des composants perme

décrites ci-dessus.

N2H2

N2H2

Thermomètre

e
Electrovann
.nriv.free.fr 12

cription du fonctionnement du four d’oxydation humide.

r le banc expérimental sur lequel nous avons mené l’ensemble des

spositifs (Chapitre II).

étudierons l’influence de certains paramètres sur le comportement des

lution du diamètre d’oxyde en fonction du rayon du mesa et nous

ysiques mis en jeu lors de l’oxydation. La caractérisation optique et

ttra de valider ou de remettre en cause les procédures technologiques

Evacuation

Eau désionisée

Thermocouple

Ruban chauffant

Echantillon



CHAPITRE II

BANC DE CARACTERISATION DES VCSELS

TRAVAIL REALISE

La caractérisation des VCSELs développés au LAAS-CNRS nécessite une approche particulière

puisqu’elle doit permettre de travailler avec des composants qui sont en cours de fabrication

technologique et qu’il faut donc tester sous pointes. Dans un premier temps, nous avons amélioré le

banc de mesure tout en respectant les contraintes liées aux nombreuses expériences qu’il permet de

réaliser. Puis, nous avons caractérisé les lasers à cavité verticale à l’aide d’un programme développé

sous Visual Basic. L’automatisation des mesures nous a permis de comparer les différents procédés de

fabrication et d’améliorer la caractérisation des composants.

II.1 - BANC VERTICAL DE MESURE DU LAAS-CNRS

II.1.1 – DESCRIPTION DU BANC EXISTANT

La géométrie du banc de mesure est déterminée par la structure originale des composants à

caractériser ainsi que par le type de mesures à réaliser : la combinaison des mesures électriques,

optiques et spectrales constitue la principale contrainte. C’est pourquoi, il n’est pas envisageable de

caractériser nos composants à l’aide de systèmes globaux existants dans le commerce. L’émission

surfacique du faisceau laser associée au test de composants sous pointe impose une disposition

verticale des éléments et non horizontale comme sur la plupart des bancs de mesure. Ainsi, la

possibilité de caractérisation sous pointes nous affranchit des problèmes liés à la découpe de

l’échantillon et au montage des composants sur boîtier (matrices de nombreux composants sur une

même plaquette).

Nous avons dans un premier temps utilisé le banc expérimental existant[08] (figure 10). La plaquette à

tester est d’abord collée sur le support à échantillon à l’aide d’une goutte de laque d’argent. La

métallisation de la face arrière des VCSELs est donc reliée à la masse de notre alimentation en

courant. Pour polariser nos composants en direct, une micropointe (anode) est déposée sur les plots de

contact de la face avant. Le positionnement exact de la pointe est assuré par une table XYZ

micrométrique.



Cette opération s’effectue sous contrôle vidéo : une caméra CCD sensible au visible et au proche infra-

rouge est installée sur le banc. Les images sont retransmises sur un écran ou envoyées à l’ordinateur

pour traitement via une carte d’acquisition vidéo. On remarquera cependant que si la pointe est retirée

du banc et si le socle conducteur est remplacé par un circuit imprimé autorisant le brochage de

boîtiers, on peut analyser directement des VCSELs déjà montés, ce qui ouvre les possibilités du banc à

la caractérisation par exemple de composants divers non fabriqués au LAAS.

Figure 10 – Ancien banc de mesure.

Pour réaliser l’observation de la plaque d’échantillons et positionner avec précision la pointe, on

utilise une source de lumière blanche non cohérente qui, par le biais d’une fibre, est amenée sur une

lame semi-réfléchissante pour être ensuite renvoyée vers l’échantillon. La seconde lame semi-

réfléchissante permet d’orienter l’image réfléchie par le composant vers la caméra.

Un choix judicieux entre le grossissement de l’objectif (x20) et la focale de la lentille (flens = 175 mm)

en amont de la caméra permet d’observer précisément les motifs de l’échantillon. Le grossissement ne

doit pas être trop important pour permettre d’identifier le composant sur la plaquette (~50 µm), mais

suffisamment pour discerner les plots de contact. Le premier objectif est monté sur une table Z pour

autoriser un réglage de la focale en champ proche. Il est également possible d’étudier les modes

d’émission du laser en défocalisant l’objectif pour observer le champ lointain.

La puissance optique émise par les VCSELs se mesure grâce à un photodétecteur en silicium dont on

connaît la réponse en fonction de la longueur d’onde d’excitation (figure 11). La diode, polarisée par

un générateur de tension, est placée devant la caméra. On suppose ainsi que le signal détecté est celui

observé sur la CCD.



Figure 11 – Réponse du détecteur en silicium.

II.1.2 – AMELIORATIONS DU BANC DE CARACTERISATION

Nous avons par la suite amélioré le montage optique pour collecter d’avantage de signal sur les

détecteurs (figure 12). Pour éviter les pertes optiques, nous plaçons la diode sur le même axe que celui

du faisceau laser (en transmission et pas en réflexion au passage des lames semi-réfléchissantes). Le

deuxième objectif (x20) identique au premier permet de focaliser le faisceau laser sur la surface

collectrice du photodétecteur. L’alimentation en courant permet de polariser la diode en Silicium pour

améliorer son temps de réponse. L’information sur le signal détecté est alors traitée par l’alimentation

avant d’être transmise à l’ordinateur.

Figure 12 – Nouveau banc de mesure, après optimisation du c

Ecran de contrôle

Source lumineuse

Photodiode Si

Eclairage

r

Deuxième pointe

CCD

x20

Lames semi-éfléchissantes

Lentille de focalisation

hemin optique.



Une deuxième micropointe a été ajoutée pour permettre l’étude simultanée de deux composants : par

exemple, on peut alimenter un VCSEL à l’aide de la première pointe et observer la tension aux bornes

d’un composant voisin grâce à la deuxième pointe.

Ce banc de mesure permet notamment une étude de la puissance optique et de la tension aux bornes

des VCSELs en fonction du courant injecté en mode continu ou en mode pulsé. Dans ce dernier cas,

nous avons veillé à diminuer la longueur des câbles électriques (<20 cm) pour éviter les réflexions

parasites sur les différents connecteurs. Tous les fils (courant d’injection et mesure) sont isolés par une

gaine reliée à la masse pour empêcher toute influence de l’environnement.

Le montage expérimental décrit ci-dessus ne serait pas complet sans la présentation détaillée de toutes

les expériences que l’on peut mettre en œuvre. L’optimisation du banc vertical respecte la

compatibilité de toutes les expériences déjà existantes. Certaines d’entre elles ont également été

améliorées ou simplifiées.

II.2 - CARACTERISATIONS POSSIBLES

On distingue plusieurs orientations dans la caractérisation des composants opto-électroniques. Des

études optiques permettent d’étudier la forme de l’onde émise par le laser et de déterminer sa longueur

d’onde d’émission. Une approche purement électrique est également intéressante puisqu’elle permet

d’approfondir le fonctionnement du composant (résistances de contact, seuil d’émission laser…). Le

banc vertical permet toutes ces caractérisations sans que l’opérateur n’est à modifier en profondeur le

montage.

II.2.1 – CHAMP PROCHE ET CHAMP LOINTAIN

• CHAMP PROCHE

Le banc de caractérisation permet d’imager facilement le champ proche et le champ lointain de

l’émission de nos VCSELs[09] (caractérisation de l’onde). En effet, l’objectif x20 collimate le faisceau

issu du VCSEL quand sa surface émettrice se situe très exactement à la distance de travail de l’entrée

de l’objectif (champ proche). L’objet que nous souhaitons imager est grossi par le jeu des lentilles

d’un rapport γ = flens / fobj avec flens la focale de la lentille précédent la caméra CCD et fobj la distance

focale de l’objectif x20 (10 mm dans notre cas). La mesure de l’image sur l’écran vidéo ou via la carte

d’acquisition du PC nous donne une mesure directe de l’objet en champ proche.


Pour tout renseignement, cliquez http://www.nriv.free.fr

Figure 13 – Configuration et images du champ proche.

• CHAMP LOINTAIN

Le champ lointain est défini comme étant la diffraction à l’infini du champ proche. Pour l’imager, il

est nécessaire de trouver la zone de Fraunhofer mais cette dernière n’est pas déterminée théoriquement

dans le cas des VCSELs multimodes. Il existe un nombre élevé de paramètres ayant une incidence sur

la complexité modale d’émission laser des VCSELs. Pour trouver la zone de diffraction, nous nous

basons sur un critère purement expérimental en procédant à la translation du foyer objet de notre

système optique depuis la zone de champ proche.

Pour différentes positions Z du foyer, nous suivons l’évolution spatiale (grâce au capteur CCD) de la

propagation de l’onde. Le fait de translater le foyer objet au-delà d’une certaine distance Z n’affecte

plus la morphologie de l’image de diffraction, seule sa taille grandit. C’est cette caractéristique qui

définit notre critère expérimental et qui nous permet de dire que nous sommes bien en champ lointain.

On le repère donc quand l’aspect de l’image de diffraction ne change plus.

Figure 14 – Configuration

fobj

Objectif x20

Axe optique Plaquette VCSEL

Objectif x20 en translation

d Plaquette VCSEL

Z fobj

~50 µm

Axe optique

’émission laser

17

et image du champ lointain.



II.2.2 – CARACTERISTIQUES L.I.V.

La mesure de la puissance optique émise L (Light) en fonction du courant injecté constitue une suite

logique à l’étude de nos VCSELs. Parallèlement, on peut également mesurer la tension V aux bornes

des composants pour caractériser leur comportement électrique. Nous avons contribué à l’amélioration

de la procédure de mesure afin de diminuer significativement les temps d’acquisition.

II.2.2.1 – DESCRIPTION DE L’EXPERIENCE

La première version du banc vertical[08] (figure 10) permettait déjà de réaliser la mesure de la tension,

du courant et de la puissance optique émise par les VCSELs mais cette opération était effectuée à

partir d’une source en tension non programmable. La puissance optique émise était mesurée grâce à un

mesureur de puissance ou power-meter étalonné à la longueur d’onde visée pour ces composants

(840 nm). Pour éviter les pertes, la cellule détectrice était placée sur le support de l’objectif x20 situé

juste au-dessus de l’échantillon. L’ensemble des données étaient donc relevées à la main, ce qui était

extrêmement fastidieux, notamment dans le cas des tests statistiques de bon fonctionnement, en cours

de process.

Les temps de mesure trop importants représentent un inconvénient majeur dans l’utilisation de cette

méthode. En effet, si on alimente un VCSEL en continu au-dessus de son seuil laser, on l’échauffe en

dissipant de la chaleur par effet Joules. Les indices des différents milieux constituants les miroirs de

Bragg sont alors modifiés. La cavité Fabry-Perrot n’a plus les mêmes caractéristiques par rapport à la

situation initiale et le faisceau laser s’en trouve modifié : la longueur d’onde d’émission du laser varie

et la puissance optique sature plus rapidement. Dans le cas idéal, il serait donc intéressant de travailler

en régime pulsé avec des temps de répétition assez grands pour éviter tout échauffement de la

structure.

II.2.2.2 – MISE EN PLACE DE MESURES AUTOMATISEES Pendant mon stage, j’ai développé un programme en Visual Basic permettant de caractériser

automatiquement les VCSELs. Le capteur de puissance ou power-meter a été remplacé par une

photodiode en silicium et l’alimentation en tension a été abandonnée au profit d’une alimentation en

courant programmable (continu ou pulsé). Ce dernier choix a été fait par rapport aux grandeurs

physiques réellement mises en jeu. En effet, la caractéristique essentielle pour l’étude optique ou

électrique du composant est le courant injecté. Nous verrons par la suite que la mise en place de cette

nouvelle mesure permet de s’affranchir de certains problèmes et que la précision sur les mesures est

accrue.



Dans un premier temps, nous avons réalisé des mesures « rapides » en continu grâce à une

alimentation programmable puis, nous avons comparé les résultats avec les anciennes expériences.

Enfin, nous avons tenté de développer un code pour travailler en mode pulsé avec la même source en

courant.

L’offset en courant de la source est le critère essentiel qui nous a permis de choisir l’alimentation

parmi tous les appareils disponibles sur le marché. Certains de nos VCSELs possèdent un seuil laser

très faible (Ith min = 192 µA) que nous ne souhaitons pas dépasser. Pour prendre en compte l’évolution

future de nos composants, nous avons fixé à 100 µA la valeur minimale du courant. Après une

recherche exhaustive (cf. Annexe 1), seules deux sources semblent correspondre à ces conditions : le

tiroir PRO8002 chez Profile et le modèle Keithley 2520. Nous avons testé les deux appareils pour

vérifier leurs performances en continu et en pulsé.

• ALIMENTATION PROFILE PRO8002

L’alimentation proposée par Profile a été utilisée pour développer le code du programme d’acquisition

(cf. description du programme dans l’annexe 2). Les résultats obtenus en continu sont satisfaisants

puisqu’il est désormais possible de tracer les caractéristiques optiques et électriques en temps réel avec

une très grande précision. Le courant d’offset que nous avons mesuré n’est que de 10 µA sur une

gamme en courant pouvant aller jusqu’à 200 mA. L’échelle de montée en courant est paramétrable et

assez rapide : on dépasse rarement deux minutes par acquisition et en pleine résolution (à rapprocher

des 5 minutes de l’ancienne opération). L’effet Joule est toujours présent mais ses conséquences sur la

structure sont moindres. On observe bien la saturation de la puissance optique émise pour des courants

injectés qui demeurent faibles. Sur la plaquette E511 f1 (VCSEL à diaphragme d’oxyde de l’ordre de

20 µm), nous avons relevé une saturation de la puissance pour des courants voisins de 20 mA

(figure 15).

Cette première source en courant possède néanmoins des limitations qui n’apparaissent pas lors de la

caractérisation de composants de petites tailles (technologie AlOx). Ainsi, il est impossible de

travailler au-delà de 200 mA avec des VCSELs qui ont une grande surface d’émission

(cf. Chapitre III). Le deuxième inconvénient réside dans la mesure de la tension aux bornes des

composants. L’alimentation PRO8002 étant un générateur idéal de courant, elle peut délivrer une

tension quelconque aux bornes des composants. Toutefois, le tiroir est bridé à 1 Wélectrique et nous limite

à une mesure maximale de la tension de 5 V.



Figure 15 – Puissance optique et tension aux bornes du VCSEL E511 f1 CIII 12,

courbes réalisées avec l’alimentation PRO8002 en régime continu.

Les tests effectués sur cette même alimentation en mode pulsé non pas été très concluants. En effet,

pour limiter l’échauffement de la structure, nous préconisons des pulses de 500 ns avec des taux de

répétitions supérieurs à la microseconde. A l’aide d’un générateur de pulses, nous avons appliqué un

signal TTL sur l’entrée auxiliaire ou « trigger externe » du tiroir PRO8002 pour simuler des pulses de

courant. Nos exigences sur la rapidité du temps de montée et sur la valeur du rapport cyclique ne sont

pas compatibles avec le modèle PRO8002.

Il est donc impossible d’effectuer du « pulsé » avec cette source en courant en se plaçant dans nos

conditions. En augmentant la durée des pulses telle que ∆tpulse/∆trépétition ≈ 50 %, nous avons bien

obtenu le début d’un comportement pulsé (décalage du seuil laser et pente de la puissance optique

parallèle à celle du continu) mais l’échauffement de la structure est inévitable. La courbe du mode

pulsé rejoint rapidement la courbe du mode continu après le seuil. Cette source a été renvoyée au

fournisseur pour la modification de la tension maximale et l’étude du problème du régime

impulsionnel, sur la base des tests que nous avons réalisés.

• ALIMENTATION KEITHLEY 2520

Nous avons également testé l’alimentation Keithley 2520 qui permet de travailler sur deux gammes de

courant (0-500 mA et 0-5 A) et de mesurer une tension jusqu’à 20 V. La génération de signaux pulsés

est réalisable en interne i.e. sans utiliser de générateur de pulses. Cette alimentation se compose de

deux éléments : le panneau de commande (possibilités de connexions sur un port GPIB) et le module

d’alimentation.



En effet, pour diminuer les effets parasites tels que la réflexion dans les connecteurs ou l’influence de

l’environnement sur les câbles électriques, il est impératif de placer l’alimentation à côté du banc

optique. En diminuant la longueur des câbles puis en les isolant dans des gaines reliées à la masse, on

s’affranchit des problèmes de dissymétrie des pulses et des phénomènes de rebonds. La figure 16

illustre la forme des pulses générés par cette source : la descente en courant est volontairement plus

lente que la montée pour éviter les effets d’oscillation et le changement brutal du sens du courant dans

le composant.

Figure 16 – Exemple de pulse obtenu avec la source Keithley.

Une première expérience de contrôle nous a permis de déterminer l’offset en courant de l’alimentation

Keithley 2520. Ce dernier est de 150 µA en mode continu et ne permet pas une étude approfondie de

nos composants de petite taille : les VCSELs sont déjà luminescents pour un courant théorique de zéro

ampère. La source doit donc être calibrée une nouvelle fois par le constructeur pour respecter notre

cahier des charges. Les tests seront ensuite poursuivis par l’équipe dès le retour de la source. Quoiqu’il

en soit, nous avons élaboré un programme d’acquisition compatible avec les deux types

d’alimentation.

• PROGRAMME D’ACQUISITION DES DONNEES Le programme d’acquisition permet de tracer en temps réel la puissance optique émise par un VCSEL

ou P(I) ainsi que la tension à ses bornes ou V(I). Les données sont enregistrées dans des fichiers au

format texte pour de futurs traitements. Un certains nombre d’options sont également disponibles afin

d’améliorer les conditions de l’expérience (figure 17).

Conditions

Durée 1 µs Amplitude 300 mA 20 cm de câbles



Figure 17 – Possibilités offertes par le programme d’acquisition :

détermination du courant de seuil laser en et d’un saut de mode en (E511 f1 C III 12).

Le courant de seuil laser est un point important dans la caractérisation des VCSELs car il permet de

savoir à partir de quel moment l’émission stimulée est prépondérante sur l’émission spontanée. La

valeur de ce courant peut être obtenue à partir de deux approches différentes.

La première est certainement la plus facile à mettre en œuvre. Elle consiste à trouver le point

d’intersection entre le régime de photoluminescence et le régime laser. Pour mener à bien cette

méthode, il est indispensable de solliciter l’intervention de l’opérateur pour définir les limites

inférieures et supérieures (en courant) de chacun des régimes. Nous avons mis en place cette technique

mais les mesures sont parfois trop approximatives : en ajoutant ou en retirant un point expérimental,

nous obtenons des seuils différents.

Pour pallier ce problème, nous avons réfléchi à une autre méthode dont le principal avantage est son

fonctionnement en temps réel. Pendant toute la durée de l’acquisition, nous moyennons les valeurs

expérimentales de la puissance optique sur un nombre de points paramétrables puis, nous en calculons

la dérivée seconde. L’apparition du seuil (changement brusque de la pente) se traduit par une valeur

maximale de la dérivée seconde. Les autres extremums qui sont visibles dans l’encadré de la figure 17

représentent des phénomènes physiques tels que les sauts de mode ou la saturation de la puissance

optique. Cet outil nous donne la valeur des courants de seuil avec une très grande précision

(reproductibilité de la mesure).

L’ensemble de ces résultats a été validé par comparaison avec les anciennes expériences. Sur la

figure 17, nous avons représenté les données enregistrée via notre programme d’acquisition et les

données issues de l’expérience manuelle. Cette dernière s’avère peut précise, notamment dans la zone

située après le seuil.



-2.0mA 0.0A 2.0mA 4.0mA 6.0mA 8.0mA 10.0mA 12.0mA 14.0mA 16.0mA 18.0mA

0 V

1 V

2 V

3 V

4 V

5 V

VCSEL C IV 4

Tension (manuelle) Tension (auto) Puissance optique (manuelle) Puissance optique (auto)

Courant

Tens

ion

-500.0µW

0.0W

500.0µW

1.0mW

1.5mW

2.0mW

2.5mW

3.0mW

3.5mW

4.0mW

4.5mW

5.0mW

Puissance optique

Figure 18 – Comparaison des résultats obtenus après modification du banc et automatisation de la mesure.

II.2.3 – ANALYSES SPECTRALES

Deux études complémentaires sont possibles pour caractériser finement nos composants : le spectre en

émission nous renseigne sur la longueur d’onde d’émission du laser tandis que la mesure de la

réflectivité nous donne accès à l’uniformité de la longueur d’onde d’émission des VCSELs sur la

totalité de la plaquette.

II.2.3.1 – SPECTRE D’EMISSION

Pour connaître exactement la longueur d’onde d’émission des composants, nous remplaçons la

photodiode par une fibre optique multimode à saut d’indice reliée à l’entrée d’un monochromateur. Le

monochromateur ou spectromètre optique permet de sélectionner une radiation monochromatique par

le biais d’un réseau (figure 19). La rotation de ce réseau réalise un balayage en longueur d’onde

permettant d’obtenir le spectre d’émission de l’échantillon. La lumière émise par le composant est

amenée par la fibre sur la fente d’entrée du monochromateur. Un miroir collecteur recueille ce

faisceau divergent et le transforme en faisceau parallèle qui va éclairer le réseau. Un miroir

focalisateur récolte les faisceaux parallèles diffractés par le réseau et les fait converger dans la fente de

sortie. En effectuant une rotation du réseau à l’aide d’un moteur pas à pas, on fait défiler le spectre

devant la fente de sortie derrière laquelle on place un détecteur[10].



Figure 19 – (a) Montage expérimental pour l’analyse spectrale et

(b) spectre d’émission d’un VCSEL bénéficiant de la technologie AlOx.

Que ce soit en régime impulsionnel ou continu, il est possible de réaliser une détection synchrone du

signal et donc de soustraire le bruit environnant. Lorsqu’on injecte dans le composant du courant

continu, on place sur le trajet optique un hacheur optique ou chopper dont la fréquence de rotation est

prise comme référence au niveau de la détection synchrone. Si on injecte un courant impulsionnel, on

relie directement le signal de synchronisation externe du générateur à la détection synchrone.

L’acquisition des signaux et le stockage des résultats sont réalisés grâce à un ordinateur qui permet de

gérer les différents paramètres (vitesse de balayage, fréquence d’acquisition…).

Fibre optique provenant du banc de caractérisation

Miroirs sphériques

Miroir d’entrée

Miroir de sortie

Réseau

Fente d’entrée

Fente de sortie

(a) (b)



II.2.3.2 – CARTOGRAPHIE ET MESURE DE LA REFLECTIVITE

• DESCRIPTION DU PRINCIPE

Les échantillons, une fois la plaquette épitaxiée, subissent avant toute opération technologique une

mesure sur un rayon du spectre de réflectivité. Cette mesure optique permet de vérifier si la géométrie

de la structure est en bon accord avec la structure visée et d’évaluer l’uniformité sur la plaquette

(longueur d’onde d’émission).

Jusqu’à présent, cette caractérisation monopolisait le monochromateur qui est un outil central pour les

études de l’équipe : une source de lumière blanche était placée à l’entrée tandis que l’échantillon était

disposé en sortie du spectromètre. La photodiode, reliée à une détection synchrone, permettait

d’analyser le signal issu de l’échantillon (figure 20).

Figure 20 – Ancien montage expérimental pour l’étude de la réflectivité.

• SPECTRE DE REFLECTIVITE SUR BANC OPTIQUE VERTICAL

Pour limiter l’utilisation du monochromateur et améliorer la qualité du montage expérimental (facilités

d’utilisation), nous avons proposé de développer une nouvelle méthode pour caractériser l’uniformité,

en cartographie, de nos échantillons.

L’adaptation du banc vertical rend possible cette mesure sans utiliser le spectromètre optique

(figure 21). Il est avantageusement remplacé par le laser accordable en longueur d’onde piloté via un

ordinateur. L’échantillon est dans ce cas posé à l’horizontale et ne nécessite pas de montage particulier

contrairement à la première version de l’expérience.

Lumière blanche

Echantillon en cours de test



Figure 21 – Mesures directe de la réflectivité s

Le nouveau montage expérimental (figure 21) fait appel à un

Ti : Saphir accordable en longueur d’onde entre 740 et 900 nan

filtre de Lyot2 par l’intermédiaire d’une vis micrométrique e

d’onde d’étude. La commande du moteur s’effectue manuellem

commande) ou directement depuis un ordinateur.

Deux conversions successives sont nécessaires pour remonter à

puisque nous travaillons en « Lyot » (graduations de la vis mic

rapport au moteur). Nous avons pu vérifier qu’une graduatio

étalonnage en longueur d’onde nous permet alors de trouver la

en « Lyot » et les longueurs d’onde d’émission :

λ (nm) = 25,039 x Graduation en Lyot + 745,1

2 Bernard Lyot (1897-1952) : astrophysicien ayant inventé en 1933 leun spectre et en 1935 le coronographe de l’Observatoire du Pic du Mid

PC Laser Argon-ion

(~2 Watts)

Laser Ti : Saphir

accordable en longueur

d’onde

Détection synchrone

Chopper

Lyot motorisé

Armoire de commande

Echantillon en cours de test

Diode Silicium

Fibre optique

Objectif x20

0

X

x2

ur le banc vertical.

laser à Argon pour pomper un laser

omètres. Un moteur pas à pas pilote un

t permet de sélectionner la longueur

ent par une interface série (armoire de

la longueur d’onde effective du laser

rométrique) et en nombre de pas (par

n « Lyot » équivaut à -2400 pas. Un

relation linéaire entre les graduations

41 Equation (2)

filtre polarisant pour isoler des raies dans i (première éclipse artificielle du Soleil).

Y



-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5730

740

750

760

770

780

790

800

810

820

830

840

850

860

870

880

890

900

910

Long

ueur

d'on

de (n

m)

Graduations en Lyot

Figure 17 – Courbe expérimentale de l’étalonnage du Lyot (18/02/2002).

En sortie du laser Ti : Saphir, nous avons placé un hacheur optique ou chopper qui sert de référence

pour la détection synchrone. Le faisceau est ensuite transmis via une fibre optique multimode jusqu’au

banc de mesure où il se réfléchit sur l’échantillon avant d’être détecté par une photodiode en silicium.

Le signal ainsi obtenu est analysé par un logiciel qui trace l’évolution du spectre de la réflectivité

(cf. description du programme dans l’annexe 3). En déplaçant la table XY sur laquelle est posé

l’échantillon épitaxié, on cartographie l’ensemble de la surface (figure 18) et on en déduit son

uniformité.

760 780 800 820 840 860 880 900 920 940

Centre

Centre + 2.5mm

Centre + 5mm

Centre + 7.5mm

Centre + 10mm

Centre + 12.5mm

Centre + 15mm

Centre + 17.5mm

Centre + 20mm

Centre + 22.5mm

Inte

nsité

(u.a

.)

Longueur d'onde (nm)

Figure 18 – Spectres de réflectivité mesurés sur la plaquette

VCSEL 585 pour différentes positions radiales.



II.3 – CONCLUSION

Une grande partie du stage a donc été consacrée à l’amélioration du banc de caractérisation. Les

nombreuses contraintes liées à la complexité des différentes expériences ont toutes été respectées. La

première étude que nous avons menée consistait à adapter le banc vertical pour analyser le spectre de

réflectivité des échantillons épitaxiés. Puis, nous nous sommes intéressés aux expériences à mettre en

place pour caractériser nos VCSELs. Les outils d’étude étant maintenant développés et validés, nous

allons présenter dans le troisième chapitre l’analyse de composants que nous avons menée dont la

fabrication technologique diffère en fonction des applications.



CHAPITRE III

ANALYSE DE COMPOSANTS

TRAVAIL REALISE

La dernière partie du stage a été consacrée à l’analyse de composants VCSELs réalisés par l’équipe

EMACO du groupe Photonique du LAAS-CNRS à l’aide du banc de caractérisation que nous venons

de décrire et d’optimiser. Plusieurs études ont été menées en étroite relation avec les actuelles

recherches du laboratoire sur plusieurs séries de VCSELs dont les méthodes de fabrication sont

différentes.

Pour les éléments de zone active de faible taille (technologie AlOx), nous avons en particulier étudié

le phénomène d’oxydation latérale en mesurant la longueur effectivement oxydée en fonction de la

géométrie de départ. Nous avons également étudié les propriétés de cet oxyde : ses propriétés

d’isolation, son influence sur le courant de seuil. Puis, nous avons comparé les résultats expérimentaux

(électrique et optique) obtenus avec ces composants et avec des composants de plus grande taille qui

ne bénéficient pas de la technologie AlOx. Enfin, nous avons étudié des VCSELs moins

conventionnels tels que les VCSELs en forme de bande allongée dont les applications pourraient être

intéressantes pour le contrôle de solitons de cavité (mémoires optiques).

III.1 – VCSELS A DIAPHRAGME D’OXYDE

Comme nous l’avons déjà évoqué dans le premier chapitre, la technologie AlOx présente le principal

avantage de confiner le courant électrique au centre de la structure mesa, évitant ainsi les pertes. C’est

le diaphragme d’oxyde qui fixe également la taille finale de la zone d’émission et qui permet de

réaliser des VCSELs monomodes. Ils sont nécessaires dans de nombreux projets dans lesquels

l’équipe est impliquée : émission-détection duale et interconnexions optiques (ONERA-CNES),

microscope miniature SNOM (LOPMD)…

Il est donc important de pouvoir maîtriser avec précision le diamètre du diaphragme d’oxyde et donc

la longueur d’oxydation latérale de la dernière couche d’AlAs dans nos VCSELs. De nombreux

travaux ont été publiés[11],[12],[13] sur le phénomène d’oxydation et sur sa durée optimale.



III.1.1 – ETUDE DE LA CINETIQUE D’OXYDATION

Le temps d’oxydation effectif de l’échantillon dans le four résulte de deux phénomènes : le temps de

diffusion du réactif à l’interface oxyde/semiconducteur et la durée de la réaction à cette même

interface.

toxydation = tdiffusion + tréaction Equation (3)

0,1 1 10 100 1000 100000,01

0,1

1

10

100_ _ asymptote de la vitesse de réaction... asymptote de la vitesse de diffusion

X0 /

(A/2

) [µm

/µm

]

t / (A2/4AB) [1/µm]

Tox = 356°C Tox = 380°C Tox = 418°C Tox = 468°C Tox = 518°C

Figure 19 – Evolution de la vitesse d’oxydation avec le temps,

pour différentes températures d’oxydation ou Tox.

En théorie, le temps de réaction dépend de la concentration des molécules oxydées et du volume

d’oxyde. Le temps de diffusion est proportionnel à la concentration initiale en particules oxydantes.

Suivant la durée de l’oxydation, on se trouve dans un régime contrôlé par la vitesse de réaction

(Lox < 35 µm) ou dans un régime contrôlé par la vitesse de diffusion (Lox > 35 µm). Ce dernier régime

s’est avéré très dépendant de l’état de surface du flanc initial et donc très peu reproductible. Nous nous

sommes donc limités au premier régime.

III.1.2 – INFLUENCE DE LA FORME DES MESAS

L’étude que nous avons menée concerne l’influence du diamètre du mesa supérieur sur la

longueur de l’oxydation pour des VCSELs de géométrie cylindrique. Sur la plaquette

considérée (échantillon numéro E511 f1), sont prévues des zones de test où les mesas ont des

rayons divers compris entre 25 et 35 µm. En utilisant le banc vertical et en imageant le champ

proche des composants, nous avons mesuré la longueur d’oxydation en fonction de la taille du

mesa.



Cette dernière est présumée linéaire et constante pour tous les rayons de mesa étudiés (figure 23). Des

études ont montré que la relation n’est plus linéaire dans des composants dont le rayon du mesa est

inférieur à 20 µm. En effet, dans le cas d’une géométrie cylindrique de faible taille, l’effet de forme est

prépondérant : la dimension du front d’oxydation diminue et la vitesse d’oxydation de l’AlAs est plus

rapide pour des rayons de mesa faibles (inférieurs à 20 µm). En effet, l’oxydation partant de l’extérieur

vers l’intérieur du mesa, la longueur du front d’oxydation diminue donc avec le temps. Dans ces

conditions, le taux d’oxydation augmente rapidement. La relation qui relie le temps d’exposition de

l’échantillon et la longueur d’oxydation n’est donc pas linéaire.

10 15 20 25 30 35 40 45 500,10

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

Vite

sse

d'ox

ydat

ion

(µm

/min

)

Rayon du mésa oxydé (µm)

Tox = 350°C

Figure 20 – Vitesse d’oxydation de mesa circulaires en fonction de leur rayon[14].

Des séries de mesures effectuées sur des longueurs d’oxydation circulaires pour plusieurs diamètres

ont permis de mettre en évidence la non linéarité de l’oxydation latérale en fonction du diamètre et de

valider une loi empirique donné par la littérature[13] qui s’adapte à nos conditions expérimentales

d’oxydation. Ce modèle (figure 21) permet d’obtenir la longueur d’oxydation pour des mesas

circulaires à partir de la longueur d’oxydation de mesas rectangulaires (rayon tendant vers l’infini) :

−−=∞→= R

wwR

RgRg

ww r

rrc 211)(

)(0

0 Equation (4)

0 20 40 60 80 100 120 140

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

22.5

25.0

27.5

Long

ueur

d'o

xyda

tion

(µm

)

Diamètre mesa circulaire (µm)

longueur d'oxydation mesurée sur un mesa circulaire pour plusieurs diamètres après 15mn d'oxydation longueur d'oxydation mesurée sur un mesa circulaire et pour plusieurs diamètres après 45mn d'oxydation

Modèle avec une lox linéaire de 7.75 µm (mesurée sur des mesas carres de 160µm oxydés 15mn) Modèle avec une lox linéaire de 16µm (mesurée sur des mesas carres de 160µm oxydés 45mn)

Figure 21 – Mesure de la longueur d’oxydation circulaire en fonctio

du diamètre du mesa initial et comparaison avec le modèle théorique[

…avec wc Longueur d’oxydationpour un mesa circulaire, Wr lalongueur d’oxydation pour unmesa rectangulaire, go la vitessed’oxydation et R le rayon dumesa.

n 13].



Les VCSELs de la plaquette E511 f1 (technologie AlOx) que nous avons étudiés par la suite ont été

obtenus avec une oxydation humide de 22 minutes soit une vitesse d’oxydation de 0,9 µm.min-1.

Comme le rayon obtenu (20 µm) est plus faible que celui qui était souhaité au départ (25 µm), on en

conclut que la procédure d’oxydation doit encore être affinée du point de vue de sa reproductibilité.

D’autre part, nous sommes restés dans le cas linéaire comme on peut le voir ci dessous.

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 360

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Long

ueur

d'o

xyda

tion

(µm

)

Rayon du mesa (µm)

Courbe expérimentale

Figure 22 – Longueur d’oxydation en fonction du rayon du mesa supérieur.

III.2 – INFLUENCE DE LA TAILLE DU DIAPHRAGME D’OXYDE SUR LES PERFORMANCES DU COMPOSANT

Sur la plaquette E511 f1, certains composants sont prévus pour étudier l’influence sur leurs

performances de la présence ou non de l’oxyde (les rayons de mesa sont différents). Le diaphragme

d’oxyde est complètement (ou presque complètement) fermé dans certains cas : lors de la conception

des masques, on a volontairement tracé des mesas dont le diamètre est inférieur à la longueur

d’oxydation à atteindre en fin d’expérience. D’autres composants n’ont pas d’oxyde enterré : en

réalité, on oxyde un anneau plus grand que le diamètre du mesa.

III.2.1 – VERIFICATION DU CARACTERE ISOLANT DE L’OXYDE D’ALUMINIUM

Pour certains composants, nous avons bien vérifié que l’oxydation était complète : lorsque l’on

alimente en courant le composant, la tension mesurée (en continu) équivaut instantanément à la

tension de saturation de l’alimentation et le VCSEL n’émet pas de lumière. La couche complètement

oxydée isole donc les deux contacts électriques (anode et cathode) du composant.

Les mesures de la longueur d’oxydation et du rayon du mesa sont réalisées à partir d’images acquises via la carte vidéo de l’ordinateur. La photographie ci-dessous est un exemple de la technique de mesure pour trois mesas différents :

a b c Rmesa 27,5 µm 27,0 µm 26,5 µm



On a donc prouvé qu’il était impossible d’avoir des fuites à travers l’oxyde puisque ce dernier ne

semble pas conduire le courant. Cette possibilité avait été envisagée par les chercheurs de l’équipe

après l’obtention de caractéristiques I(V) de mauvaise qualité sur certains composants.

III.2.2 – INFLUENCE DE LA TAILLE DU DIAPHRAGME SUR LE COURANT DE SEUIL

Dans les autres cas (oxyde non fermé), l’évolution du courant de seuil en fonction du diamètre

d’oxydation est significative (figure 24). Plus le diamètre diminue et plus le seuil laser est bas comme

on pouvait le prévoir :

- Sans diaphragme ............................... Ith = 21 mA - Diaphragme de 6 µm ........................ Ith = 2,3 mA - Diaphragme faible (<<1 µm) ........... Ith = 448 µA Rq : diamètre non mesurable

0.0A 10.0mA 20.0mA 3

0.0W

200.0µW

400.0µW

600.0µW

800.0µW

1.0mW

Puis

sanc

e op

tique

(dét

ecté

e)

Courant

Sans diaphragme

Figure 23 – Evolution du courant de seuil en f

La pente de la caractéristique puissance optique / courant e

qui prouve que l’oxydation latérale ne détériore pas le rend

à 448 µA) n’est pas complètement tracée. En effet, ces

l’alimentation Profile PRO8002 ne fournit pas plus de 5

matérielle). Il se peut toutefois que pour un composant d

apparaissent pour des courants plus élevés.

2

3

1
1
0.0mA 40.0mA 50.0mA

Diaphragme de 6 µm Diaphragme très faible (<6µm)

onction du diamètre d’oxyde.

st similaire dans ces trois cas (figure 23), ce

ement. Toutefois la première courbe (seuil

tests n’ont pas pu être approfondis car

V en continu (cf. Chapitre II : limitation

e si faible taille, des pertes par diffraction

D002

2 3



On retiendra de cette expérience que le diaphragme d’oxyde est un paramètre très important pour

diminuer le seuil laser d’un VCSEL. Une grande attention sera donc portée sur sa réalisation

technologique. Les moyens de caractérisation automatique mis en place lors de ce stage seront des

outils précieux pour contrôler rapidement sur de nombreux composants le résultat du processus

d’oxydation.

III.3 – FONCTIONNEMENT EN DETECTEUR

Les VCSELs sont souvent étudiés pour l’émission laser mais, comme nous l’avons vu dans la partie

consacrée à leurs avantages, ils servent parfois de détecteurs dans les lignes à transmission optiques.

Lorsqu’on éclaire un VCSEL avec la longueur d’onde λ correspondante à la condition Fabry-Pérot

(Equation 1), on peut obtenir l’effet inverse i.e. on détecte un photocourant aux bornes du composant.

Dans le cadre d’un projet avec l’ONERA (composant émetteur / détecteur dual pour la télémétrie),

l’équipe étudie actuellement le comportement en détection de VCSELs AlOx pour exploiter les

avantages de ces composants en émission (émission monomode, faible seuil). De plus, en polarisation

inverse, on bénéficie d’une large surface de détection (i.e. surface d’injection électrique) ce qui permet

de compenser l’élargissement du faisceau laser pendant la propagation (figure 24).

diaphragme d'oxyde

Polarisationdirecte ou

inverse

p

n

i

Substrat

cavité

Zone Detection

ZoneEmission

Figure 24 – Description du composant dual émetteur / détecteur.



Les premières mesures effectuées au LAAS ont porté sur l’émission et la détection alternative dans ce

type de composant[08] (Thèse de L. Averseng en cours de publication, soutenance prévue le 16 juillet

2002). Ces mesures ont montré qu’il est possible d’obtenir un pic de photodétection centré sur la

longueur d’onde Fabry-Pérot et dont la sensibilité de détection maximale est de l’ordre de 0,18 A.W-1

avec une polarisation de –5 V.

Dans le cadre de mon stage, nous avons démontré qu’il était également possible de travailler en

détection tout en émettant un faisceau laser. Cela permettrait d’étendre les possibilités d’application de

ces composants : fonctions optiques simultanées (full duplex) et non plus simplement alternatives (half

duplex).

Pour vérifier cette possibilité, la diode laser est alimentée par le générateur de tension à une valeur de

tension telle que le courant correspondant soit supérieur au seuil laser. En l’absence d’éclairage, le

comportement en tension du VCSEL est normal : on observe bien en champ proche une émission

laser.

En présence d’un faisceau laser (à une longueur d’onde correspondant exactement à la condition

Fabry-Pérot) provenant du laser Ti : Sa et focalisé sur la surface du composant, le courant aux bornes

du composant est fortement modifié : il y a un courant continu et négatif qui s’ajoute à la courbe

(figure 25). Il y a donc photodétection et émission laser.

Figure 25 – Courbes Courant-Tension en mode émetteur

et en mode émetteur-récepteur.

Ce décalage du courant permet donc de travailler en mode récepteur, même si on est en train

d’émettre. Ainsi, on peut par exemple contrôler dans une ligne à transmission optique si un message a

bien été reçu. Ce résultat sera exploité dans le projet microscope SNOM avec le LOPMD dans lequel

il est nécessaire de détecter les modifications induites par une réinjection optique dans un VCSEL

associé à une pointe collectrice.

Tension en V Décalage en courantde ~100 µA

Mode émetteur

Mode émetteur-récepteur

Cou

rant

en

mA

0

Tension au seuil ~ 2,8 V



III.4 – VCSELS MESA DE GRANDE TAILLE

Malgré leur grand intérêt pour les applications, les études de l’équipe sur les VCSELs ne portent pas

uniquement sur les VCSELs AlOx monomodes. Dans le cadre d’une Action Concertée Incitative

(ACI) du Ministère de la Recherche, le LAAS-CNRS travaille sur la réalisation de VCSELs III-V de

grande taille (diamètre > 100 µm). Ce projet vise à démontrer la formation de « solitons de cavité » ou

structures localisées dans des résonateurs actifs formés par les VCSELs. Ces solitons[15] consistent en

une distribution localisée du champ électromagnétique dans la section transversale du résonateur,

générée par écriture d’une impulsion lumineuse temporaire et dont la stabilité persiste jusqu’à ce qu’ils

soient délibérément effacés par une seconde impulsion. En jouant sur des gradients de phase du champ

incident, il serait de plus possible de manipuler et de déplacer transversalement ces structures auto-

organisées.

Les applications pratiques des systèmes capables de générer des solitons stables concernent la

réalisation de mémoires optiques transportant de l’information binaire pour le traitement optique de

l’information.

La condition pour pouvoir observer des solitons dans des résonateurs actifs (i.e. sans qu’il soit

nécessaire d’utiliser un faisceau optique de maintien de la structure transverse) est de disposer de

VCSELs à mesas polarisés en continu juste au-dessus du seuil. Leur taille doit être à la fois assez

grande devant l’extension du soliton (15 µm) pour pouvoir manipuler plusieurs solitons de cavité mais

assez petite pour éviter les problèmes de non uniformité de l’injection électrique annulaire qui peuvent

créer des gradients de phase involontaires. Dans notre technologie actuelle, une taille de diamètre du

mesa supérieur de l’ordre de 100 à 150 µm serait donc idéale.

A terme, la longueur d’onde d’émission laser de ces composants sera de 980 nm de façon à pouvoir

contrôler les solitons par la face arrière du substrat transparent à cette longueur d’onde, ce qui

permettra d’éviter l’injection annulaire et donc d’améliorer l’uniformité d’injection.

Par ailleurs, des simulations électriques et des modélisations électromagnétiques doivent être menées

dans les prochains mois afin d’optimiser l’uniformité d’injection de la structure. La conception des

masques de fabrication de ces composants est prévue à la fin de l’année 2002. Cependant, nous avons

tenté d’ores et déjà de réaliser des VCSELs de grande taille de géométrie circulaire ou carrée (100 µm

de diamètre ou 100 µm de côté) à partir de masques déjà existants et légèrement modifiés. Ces

composants ont été testés sous pointes pendant toute la durée du process.


Pour tout

III.4.1 – VCSELS STANDARDS

Tous les éléments de la plaquette ont été étudiés en régime continu, même si des problèmes

d’alignement sont apparus dès le début de la conception. En effet, la métallisation n’a pas été uniforme

sur tout l’échantillon (figure 26), ce qui provoque la perte de quelques composants. De plus, on a

constaté que pour certains composants, les zones N et P sont en contact (court-circuit) car il n’y a pas

eu assez de BCB entre les deux métallisations. Dès le début, certains de nos VCSELs ont par

conséquent été écartés de notre campagne de mesures (problèmes de gravure, de métallisation ou de

dépôt de BCB).

Une an

pour le

à l’inté

problèm

continu

celui dé

considé

avant d

Mauv
~100µm
renseignement, cliquez http://www.nriv.free.fr 37

Figure 26 – Problèmes de métallisation des VCSELs (projet « Solitons de cavité »).

alyse systématique de la plaquette nous a finalement permis de sélectionner certains VCSELs

ur fonctionnement en continu. Etant donné qu’il n’y a pas de confinement optique et électrique

rieur de la structure, le seuil laser est assez élevé (> 100 mA). Ceci ne constitue pas un

e pour cette application puisque la principale contrainte est le fonctionnement en régime

. Lorsque la gravure du mesa supérieur est parfaite (nombre de couches gravées équivaut à

siré) et lorsque la métallisation est complète et alignée sur le mesa, le courant de seuil diminue

rablement. Le VCSEL commence à passer par un état de luminescence (émission stimulée)

e fonctionner en régime laser (émission spontanée) avec un seuil de ~45 mA.

aise métallisation VCSEL carré VCSEL circulaire



Figure 27 – Puissance optique émise et tension en fonction du courant.

Les courbes de puissance optique ou de tension en fonction du courant injecté se sont avérées

instables : un léger bruit de fond perturbe l’acquisition. Nous attribuons cet effet aux mauvais contacts

électriques entre la pointe et la métallisation finale du plot de contact de l’échantillon. Le niveau de

puissance émise ne correspond pas aux attentes, cependant ces composants n’étant pas destinés à

l’émission laser, ils seront testés prochainement par nos collaborateurs. Ils seront donc montés sur

boîtier pour des études plus approfondies.

Même si les résultats ne sont pas entièrement conformes à ceux attendus, l’étude de cette première

plaquette nous a toutefois permis de valider la procédure de test de P(I) automatisée sous banc vertical.

III.4.2 – VCSELS EN FORME DE BANDE

Les méthodes de fabrication des VCSELs par photolithographie autorisent la réalisation de formes

variées de composants. Dans le but initial de pouvoir pomper à 840nm des microlasers solides à base

de fluorures dopés terres rares qui sont étudiés dans un autre axe de recherche de l’équipe, des bandes

allongées de différentes dimensions avaient été prévues dans le masque de fabrication des VCSELs.

Ces diodes à section rectangulaire sont appelés « VCSELs bande » (Photographie de la figure 29).

Suite à des discussions avec nos partenaires du projet « Solitons de cavité », nous avons pensé que ces

composants pouvaient être intéressants pour réaliser des mémoires 1D (registres à décalage). Nous

avons donc étudié leur comportement en régime continu directement sur des plaquettes en cours de

process ou à partir d’éléments montés sur boîtier. Les tailles de ces bandes sont comprises entre 5 et

10 µm de haut pour des longueurs pouvant atteindre 2,5 mm (cf. figure 28).



10µm

2.5 mm Figure 28 – Exemple de VCSEL en forme de bande.

La première vérification effectuée sur ces composants a porté sur leur capacité à fonctionner en régime

continu ce qui permet d’envisager la poursuite de l’étude sur ces composants originaux.

D’autre part, ne bénéficiant pas de la technologie AlOx et en raison de leur géométrie, ces dispositifs

ne permettent pas d’obtenir un seuil laser faible (ce qui n’est pas recherché ici) : il est en général

voisin de 20 mA. Enfin, la puissance optique mesurée n’est pas très bien collectée car il y a dispersion

spatiale du faisceau. En effet, le premier objectif (x20) permet d’imager l’objet situé à sa focale. Dans

notre cas, il y a émission de lumière sur toute la longueur de la bande : cette longueur est plus grande

que le champ de vision de l’objectif et nous ne collectons pas tous les photons générés par émission

spontanée.

Figure 29 – Puissance optique émise et tension en fonction du courant et photographie

d’un VCSEL bande Cxvi-xvii-8 de 10 µm de large et 200 µm de long.

L’émission laser n’est pas uniforme sur toute la longueur de la bande lorsque cette dernière est de

grande dimension (> 200 µm) : on observe beaucoup plus d’intensité lumineuse dans une région

proche de celle de l’injection du courant. Pour améliorer la qualité du montage, il serait intéressant

d’utiliser plusieurs pointes pour répartir le courant sur toute la longueur du composant.

Contact pour la pointe

Zone d’émission

Contact pour la pointe

Zone d’émission



Figure 30 – Puissance optique émise par un VCSEL bande (10 µm x 2,5 mm) en fonction du courant injecté : en régime pulsé (figure de gauche) et en régime continu (figure de droite).

Pour conclure sur ce projet, les mesures que nous avons réalisées ont permis de vérifier l’adéquation

de certains composants aux contraintes et de les sélectionner pour la découpe et le montage. Un

VCSEL en forme de bande de 10 µm de large sur 2,5 mm de long a déjà été monté et envoyé à

l’Institut Non Linéaire de Nice (ILN) pour tenter de créer et d’observer des solitons sur leur dispositif

expérimental.



CONCLUSION GENERALE

Le travail présenté dans ce mémoire a porté sur deux volets : l’amélioration du banc de caractérisation

et la caractérisation de VCSELs sur ce même banc. Nous avons en effet optimisé certains réglages et

automatisé toutes les mesures grâce à des programmes écrits en Visual Basic. De plus, les possibilités

offertes par le montage ont été étendues puisque, par exemple, nous avons intégré des expériences déjà

existantes mais nécessitant jusque là l’utilisation d’un monochromateur (mesure de la cartographie de

la réflectivité sur banc vertical). L’adaptation du banc pour une analyse en mode pulsé n’est pour

l’instant pas achevée car nous nous sommes heurtés à une inadéquation des sources en courant que

nous avons testées. Un autre banc de caractérisation, spécialement conçu pour l’étude en pulsé, serait

peut-être préférable : en effet, le montage actuel ne permet pas de travailler dans des conditions

optimales (isolation optique et électrique des composants) en raison des nombreuses possibilités de

mesures optiques.

Dans un deuxième temps et à partir des outils développés pendant le stage, nous avons caractérisé des

motifs de test et des VCSELs conçus et fabriqués par l’équipe EMACO du groupe Photonique. Parmi

eux, les VCSELs à diaphragme d’oxyde ont été étudiés sur deux aspects : la cinétique de l’oxydation

d’une part et l’influence de la géométrie d’autre part. Par ailleurs, dans le cadre des collaborations de

l’équipe avec d’autres partenaires, des composants originaux tels que les VCSELs de grand diamètre

ou en forme de bande ont été réalisés puis testés sur le banc vertical de caractérisation.

Sur un plan plus personnel, mon stage de DEA m’aura permis de côtoyer le « monde » particulier de la

recherche appliquée. Contrairement à la recherche dite fondamentale, les expériences que j’ai pu

approcher pendant ces quelques mois m’ont démontré qu’il était important de maîtriser l’ensemble des

paramètres expérimentaux. Cette maîtrise parfaite nécessite donc, de la part de l’expérimentateur, une

curiosité de tous les instants. L’équipe Photonique du LAAS-CNRS m’a fait vivre intensément sa

passion pour la Recherche et n’a fait qu’encourager mon engouement pour la théorie et l’expérimental.



BIBLIOGRAPHIE

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Edition Ellipses – 1997.

[02] « Les lasers, cours et exercices corrigés » - D. Dangoisse, D. Hennequin, V. Zehnlé-

Dhaoui – Edition Dunod – 1998.

[03] « Optoélectronique, composants photoniques et fibres optiques » - Zeno Toffano –

Edition Ellipses – 2001.

[04] « Caractérisation électrique et optique de diodes lasers à cavité verticale émettant par la

surface à 840 nm » - Anne-Lise Fabre – Stage de DESS – Université de Metz, LAAS-

CNRS Toulouse – juin 2000.

[05] « Conception, élaboration sous contrôle optique en temps réel, fabrication et

caractérisation de lasers à cavité verticale pour l’émission à 840 nm » - Frédérick Van

Dijk – Thèse UPS LAAS-CNRS Toulouse – Rapport LAAS numéro 99546 – 1999.

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[09] « Caractérisation de composants à cavité verticale : mise au point d’une méthode

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aperture in vertical-cavity surface-emitting laser structures » - B. Koley et al. – Journal of

Applied Physics, vol 84, no 1, p 600-605, 1998.



[13] « Lateral oxidation of buried AlxGa1-xAs layers in a wet ambient » - T. Langenfelder et al.

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Physics Letters, vol 68, no 14, p 1898-1900, 1996.

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lasers » - T. Ackemann et al. – J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 2, 406, 2000.



ANNEXES

1. Caractéristiques des sources en courant

2. Programme d’acquisition de la puissance optique et de la tension en fonction du courant (VIP)

3. Programme de pilotage du Lyot



ANNEXE 1

CARACTERISTIQUES DES SOURCES EN COURANT

Fournisseur Modèle Courant Modulation Liaison pg Remarques Accessoires à rajouter

Prix tot (Euros) avec

réduc.

Imax Résolution

(sur 100mA) Précision

(sur 100mA) Type Fmax

Micro-Contrôle 5005 500mA 7.6mA 45mA pulsé sinus et créneaux 300kHz GPIB

RS232

* V de 0 à 7V * mod. analog. ext.

350kHz 2359.00

ILXLightwave LDX-3210 50/100mA 1mA 50mA analog. ext. 1MHz GPIB V : 0-10V / 50mV carte GPIB 3962.00

LDP-3811 200/500mA 10mA 1mA pulsé créneaux 1MHz GPIB V>25V carte GPIB 8255.00

Keithley 220/E 100mA 50mA 150mA ext. 30kHz IEEE-488 V bipolaire de 1 à 105V / 1V carte GPIB 7037.00

2400 100mA 5mA 86mA no modulation IEEE-488 et RS232

* balayage I-V intégré

* bipolaire (I et V) 5200.00

2430 100mA 5mA 86mA interne : créneaux

150ms<width<5ms max duty cycle 100%

IEEE-488 et RS232

* balayage I-V intégré 0-100V

* bipolaire (I et V) 15424.00

6430 Sub-fA 100mA 5mA 86mA no modulation IEEE-488 et RS232 V de 1mV à 200V 14508.65

2520 500mA et 5A 5µA 86µA Modulation interne IEEE-488 et RS232 V de 20V au max. 30000.00

Laser 2000 ITC 502 200mA RS232 ou IEEE-

488 avec supplément

* Combiné I-Peltier (2A/16W)

* 0-6V

Interface RS232-500(*)

3600.50 +560.50(*)

PRO800 + LDC8002 200mA 3µA 100µA modulation

externe

Rapport cyclique

50%

RS232 et GPIB 16 bits

* Drivers LabView et Labwindows

* 0-5V 3733.50



ANNEXE 2

PROGRAMME D’ACQUISITION DE LA PUISSANCE OPTIQUE

ET DE LA TENSION EN FONCTION DU COURANT (VIP)

Nous développerons dans cette partie l’utilisation du logiciel VIP (V pour tension, I pour courant et P

pour puissance optique) dont nous avons développé le code source en Visual Basic. Nous ne

rentrerons pas dans le détail de la programmation.

Figure A1 – Ecran général du programme VIP.

DESCRIPTION DES MENUS Le menu FICHIER permet d’accéder aux différentes options du programme. Ainsi, il est possible de

réaliser une des opérations illustrées dans la figure A2. Le menu FENETRES permet de basculer d’une

fenêtre à une autre et de paramétrer l’alimentation ou de modifier le mode d’acquisition des données.



(a) (b)

Figure A2 – (a) Détail du menu FICHIER – (b) Détail du menu FENETRES.

La fenêtre de « génération de pulses » permet de choisir la durée des pulses et le temps de répétition

lors d’un fonctionnement en régime pulsé (figure A3).

L’option « Configuration de l’alimentation » permet de paramétrer la source en courant. On peut

régler le courant maximum que devra fournir le générateur : cette valeur ne sera jamais dépassée pour

protéger les composants en cours de tests. En choisissant la photodiode utilisée pour la détection (Si 1,

Si 2 ou un autre détecteur), on paramètre le rapport entre le signal fournie par la diode et la puissance

optique effectivement reçue. L’option notée « PhD x » corrige la puissance optique détectée par un

facteur multiplicatif. Pour le montage du banc que nous avons réalisé, les pertes au passage des

éléments optiques (objectifs et lames semi-réfléchissantes) sont corrigés par un facteur égal à 2,6. La

descente en courant doit éviter les variations trop rapides du courant. Cette option peut être paramétrée

dans la boîte de dialogue « configuration de l’alimentation ».

Figure A3 – Boîtes de dialogue accessibles via le menu FENETRES.



L’option « Acquisition en continu » a été ajoutée pour le confort de l’opérateur en autorisant un

contrôle en temps réel des paramètres (V, I et P) de l’alimentation. Cette fenêtre sert également à

optimiser le montage du banc optique afin que le signal détecté par la photodiode soit maximum.

ACQUISITION EN CONTINU La figure A4 présente la fenêtre d’acquisition en continu de la puissance optique et de la tension aux

bornes du VCSELs. La section « paramètres » permet de fixer les conditions de l’acquisition : le

nombre de points par mesure permet de moyenner les données sur plusieurs mesures. Si la case

« Tenir compte de l’Offset en courant » est cochée, on effectue en premier un test de l’alimentation

qui nous permet de connaître la valeur de l’Offset en courant. Sa valeur peut être conservée ou retirée

des valeurs mesurées.

Figure A4 – Acquisition de la P(I) et de la V(I) en continu.

Pour débuter l’acquisition automatique, il suffit de cliquer sur le bouton rond et rouge. Le programme

propose alors d’enregistrer les données dans un fichier dont le nom peut être modifié dans la section

« Nom de fichier auto ». Si la case est cochée, les noms générés portent la date et l’heure de

l’acquisition. Les informations écrites par l’utilisateur dans l’onglet « Entête du fichier de données »

sont directement copiées dans le fichier de sauvegarde. De plus, les informations sur l’acquisition

(section paramètres) y sont reportées.



L’onglet « Réception des données » permet de connaître en temps réel la valeur du courant de

l’alimentation et l’état de la sortie (ON ou OFF). D’autres options peuvent être utilisées en cochant les

cases correspondantes.

L’onglet « Calculs » permet d’afficher ou de cacher les informations relatives à l’acquisition. Le calcul

du seuil automatique est fait en temps réel mais il est également possible d’effectuer la procédure à

tout moment en cliquant sur le bouton « Effectuer ».

Le calcul du seuil à l’aide de la méthode des pentes peut aussi être réalisé. Il suffit d’indiquer les

limites inférieures et supérieures du courant pour les deux régimes. Cette option est toujours accessible

mais sa précision est inférieure à celle de la méthode développée à base de la dérivée seconde.



ANNEXE 3

PROGRAMME D’ACQUISITION DU LYOT

Le programme Lyot permet de piloter directement le laser accordable en longueur d’onde qui porte le

même nom. Ce programme inclut la possibilité d’étudier l’échantillon (P et longueur d’onde) en temps

réel.

Figure A5 – Ecran général du programme Lyot.

Dans la section « acquisition », l’utilisateur entre les paramètres de l’expérience avant de lancer

l’acquisition en cliquant sur le bouton correspondant. Les données sont enregistrées dans un fichier

pour de futurs traitements.

La section « pilotage manuel du filtre » permet de déplacer la longueur d’onde du laser accordable à

n’importe quel moment. La section « informations » renseigne l’utilisateur sur les valeurs actuelles des

paramètres (valeur du Lyot et valeur mesurée via la détection synchrone et la carte d’acquisition du

PC). L’icône en forme de main symbolise la possibilité de mettre à jour le champ d’un simple clic

gauche de la souris.



L’option « Acquisition en continu » permet de piloter le laser accordable et de lire en temps réel la

valeur affichée sur la détection synchrone. Il est possible de placer le Lyot à une longueur d’onde déjà

déterminée ou de déplacer la longueur d’onde en continu jusqu’à l’intervention de l’utilisateur pour le

stopper.

Figure A6 – Boîte de dialogue de visualisation des paramètres en continu.

caractérisations optique et électrique de vcsels mesa et alox

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