Caractérisation de couches minces au moyen d’images térahertz

Introduction

Aujourd’hui, nous sommes de plus en plus dépendants des technologies de l’information pour la communication, l’informatique et la détection. Nous exigeons des appareils de plus en plus petits, à coûts moindres et fonctionnant à des vitesses plus élevées. Pour développer ces dispositifs, notamment dans les nouvelles générations de circuits intégrés, il nous faut des matériaux de pointe adaptés à ces technologies. Les couches minces EO jouent un rôle important dans l’atteinte de cet objectif. La production de couches minces pour ces dispositifs est mise de l’avant depuis les 50 dernières années. Mais la caractérisation de ces matériaux reste difficile en raison de leur faible épaisseur. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode pour caractériser ces matériaux au moyen de la microscopie THz.

Les couches minces et leur application

Une couche mince est une couche de matériau d’une épaisseur allant du nanomètre au micromètre (Figure 1 [a]). Le niobate de lithium (LiNbO3) est le matériau le plus courant pour cette application. Le coût d’un matériau en couche mince est relativement bas par rapport au matériau courant correspondant, considérant qu’il remplit les mêmes fonctions quant au traitement de surface ou aux ondes lumineuses guidées.

Figure 1 (a) Couche mince sur un substrat, et (b) couche mince dans un dispositif EO.

Les couches minces cristallines jouent un rôle important dans le développement de matériaux dotés de propriétés nouvelles et spécifiques à certaines applications. Par exemple, les couches minces ayant des propriétés EO sont largement utilisées dans les systèmes informatiques et de communication avancés. Plus précisément, elles remplissent différents rôles nommément de modulateur, d’interrupteurs et d’atténuateurs dans les dispositifs EO [1,2] (Figure 1 [b]).

En bref, une couche mince EO est l’interface qui convertit les informations électriques en informations lumineuses et vice versa. Cette capacité est essentielle pour répondre à l’immense demande de communications numériques toujours plus rapides. Par conséquent, la découverte de nouveaux matériaux de couches minces plus performants permettra de traiter les informations plus rapidement et de façon plus précise.

Les défis de la caractérisation des couches minces EO

En général, les propriétés optiques des matériaux EO changent en réponse à l’application d’un champ électrique. Il en résulte une modulation de la polarisation du faisceau optique traversant simultanément le matériau. Les propriétés EO de ces matériaux sont généralement caractérisées par l’application d’un champ électrique dans différentes directions. En même temps, un faisceau optique les traverse pour mesurer les réponses EO. Il est important de mentionner qu’un matériau EO émet différentes réponses selon les directions x, y et z. Normalement, l’application d’un champ électrique pour exposer toutes les réponses EO nécessite de placer plusieurs électrodes sur le matériau dans différentes orientations. Alors que la pose d’électrodes sur des matériaux plus épais est assez simple, elle est très difficile à réaliser sur des couches minces. De plus, ces couches minces étant normalement plus fines que la longueur d’onde de la lumière ou comparables à celle-ci, la plage d’interactions avec la lumière qui s’y propage est également limitée. Cette restriction réduit considérablement la précision de la méthode de caractérisation. Ainsi, de nouvelles solutions pour la caractérisation des couches minces s’avèrent nécessaires.

La solution proposée : un résonateur en anneau fendu

Pour pallier la perte de précision due à la faible épaisseur des couches, nous avons d’abord augmenté l’amplitude du champ électrique appliqué sur la couche, afin d’améliorer l’interaction à l’intérieur du matériau, en générant des impulsions THz intenses [3]. Ensuite, nous avons conçu et intégré un matériau artificiel pour capter le rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquences THz (un métamatériau appelé résonateur en anneau fendu [SRR, Split-Ring Resonator]). Le SRR agit comme une minuscule antenne facile à concevoir pour un ingénieur. Une fois excitées par impulsion THz, les réponses de résonance de notre SRR agissent comme une électrode qui sonde simultanément les réponses des couches minces dans toutes les directions, comme l’illustre la figure 2 (a). Afin d’exposer les réponses EO d’un matériau de couche mince, nous avons réalisé une visualisation spatio-temporelle de la distribution du champ électrique sur le SRR par microscopie THz, comme le montre la figure 2 (b).

Figure 2 (a) Différentes composantes du champ électrique sur une antenne de SRR, et (b) distribution spatiale du champ électrique de résonance pour Ex, Ey et Ez.

Microscopie térahertz

On sait que la microscopie visible permet d’observer les propriétés d’un objet qui ne peut être vu à l’œil nu. Une haute résolution spatiale s’obtient grâce à la capacité d’imagerie dans les sous-longueurs d’onde. Généralement, pour les méthodes de microscopie visible, les mesures fournissent des images d’intensité lumineuse. Dans la microscopie THz, une lecture directe des informations d’amplitude et des phases du champ électrique s’effectue couramment [4]. Cette capacité permet d’enregistrer les différentes réponses au champ électromagnétique d’un métamatériau non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps. Ainsi, nous pouvons observer les réponses tridimensionnelles au champ électrique d’une antenne (SRR) placée sur un matériau de couche mince selon leur orientation distinctive. Comme l’illustre la figure 3, cette méthode sert à exposer les réponses EO d’un matériau de couche mince par des images de champ électrique, où les composantes uniques des directions x, y et z sont différenciées dans l’espace et dans le temps.

Figure 3 Microscopie THz d’une couche mince EO surmontée d’un SRR.

Exposer les réponses aux champs électriques d’une couche mince EO

Les figures 4 (a) et (b) montrent les réponses aux champs électriques de l’antenne sur la couche mince LiNbO3 au moyen de la microscopie et de la simulation THz, respectivement. Les résultats de la simulation sont considérés comme la référence des réponses aux champs électriques (Ex, Ey et Ez) du SRR sur la couche mince dans les directions x, y et z. Ici, notre résultat expérimental montre que la réponse des SRR sur les couches minces LiNbO3 correspond à la réponse dans la direction y. Par conséquent, la connaissance de la structure cristallographique du matériau en couche mince étudié rend accessible la valeur absolue du coefficient EO correspondant [5].

Figure 4 (a) Résultat expérimental à 0,5 THz, et (b) réponse simulée du champ électrique.

Conclusion

Nos résultats démontrent que la microscopie THz est une bonne méthode pour exposer toutes les réponses EO dans les directions x, y et z des matériaux EO de couches minces. Ici, les réponses 3D aux champs électriques ont été réalisées à l’aide d’un SRR sur une couche mince du cristal bien connu LiNbO3. En principe, nous devrions pouvoir tirer les composants EO d’un matériau inconnu à la suite de cette démonstration. En fin de compte, puisque la structure du SRR présente également une réponse magnétique (illustrée sur la figure 5), cette méthode pourrait être étendue à la caractérisation de nouveaux matériaux magnéto-optiques.

Figure 5 Simulation de la réponse magnétique du SRR dans les directions (a) x, (b) y et (c) z.

Information supplémentaire

Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant:

Amirkhan, F.; Sakata, R.; Takiguchi, K.; Arikawa, T.; Ozaki, T.; Tanaka, K.; Blanchard F. 2019. “Characterization of thin-film optical properties by THz near-field imaging method”. Journal of the Optical Society of America B. Vol. 36, issue 9, pp. 2593-2601.