Pour mieux comprendre le comportement non attendu en PDE des SPAD avec les couches delta, des images STEM ont été réalisées sur des échantillons de silicium nu ayant subi les mêmes séquences MBE (w18.3 et w23.2 – tableau 3.3). La procédure de préparation des échantillons STEM est décrite à l’annexe C.
Les figures 5.6a et 5.6b montrent les images STEM prises à la surface du silicium des séquences MBEv1 et MBEv2 respectivement. Du bas vers le haut, il existe trois régions distinctes :
1. le substrat de silicium selon l’orientation cristalline (100) (figure A.1),
2. la croissance MBE délimitée par des lignes pointillées à la surface du substrat, 3. une couche de carbone amorphe au-dessus de la croissance MBE pour protéger
l’échantillon lors de la procédure de préparation à la sonde ionique focalisée.
La séquence MBEv1 présente une croissance MBE amorphe de 4.5 nm sous laquelle il existe une région de 1.1 nm d’éléments plus légers (bore). La séquence MBEv2 présente quant à elle une croissance MBE plus épaisse de 7.3 nm, aussi amorphe. Il existe cependant une couche plus foncée (1.3 nm) entre la croissance MBE et la région de bores diffusés (1.1 nm). Les épaisseurs observées aux images STEM correspondent environ aux épaisseurs esti- mées lors de la croissance MBE. Cependant, les couches crues sont amorphes plutôt que cristallines comme souhaitées.
5.5. CARACTÉRISATION STEM ET EELS DES COUCHES DELTA 89 Afin d’identifier les éléments chimiques présents dans les images STEM, les échantillons ont été analysés par EELS (figure 5.7a et 5.7b). De l’analyse EELS de MBEv2, trois régions de bore sont identifiées : (a) le substrat cristallin faiblement dopé, (b) une région cristalline fortement dopée et (c) une région amorphe fortement dopée. De plus, une mince couche d’oxyde sépare les régions (c) et (b).
Cette couche d’oxyde serait responsable de la croissance amorphe de la couche delta, la croissance MBE ne pouvant qu’être ordonnée si la surface de départ l’est aussi. Les dopants de bore auraient ensuite diffusé à travers l’oxyde vers le substrat de silicium pour former la couche (b). La présence de carbone dans la couche d’oxyde indiquerait aussi que cette dernière s’est formée à l’air ambiant, et non pas, sous une atmosphère contrôlée exempte de contaminant.
Bien que la couche MBEv1 soit aussi amorphe, les images EELS (figure 5.7a) font ressortir quelques différences avec la couche MBEv2. Tout d’abord, l’analyse du bore montre que la couche MBEv1 est moins dopée que le substrat de silicium. La concentration en dopant de la couche MBE est normalement configurée en contrôlant la température de la source de bore. Ces images supposent que la température était plus faible lors de la croissance de MBEv1 que lors de la croissance de MBEv2.
L’analyse EELS révèle également une faible quantité d’oxygène à l’interface du substrat de silicium et de la couche MBEv1. La différence d’épaisseur qui existe entre l’oxyde de MBEv1 et MBEv2 peut s’expliquer par le temps de gravure choisi lors du procédé de nettoyage des échantillons. Il était de 4 minutes pour MBEv1 alors qu’il était de 1.5 minutes pour MBEv2. La décision de réduire le temps de gravure entre les deux séquences avait été prise après avoir observé la gravure partielle des anodes de SPAD avec l’ouverture de fenêtre la plus grande. Ceci n’avait toutefois pas empêché le fonctionnement normal des SPAD. Dans tous les cas, la présence d’oxygène, quelle que soit la quantité, prévient la croissance épitaxiale de la couche delta dans un procédé MBE basse température.
CHAPITRE 5. RÉSUL T A TS ET ANAL YSE
(a) MBEv1 (b) MBEv2
Figure 5.6 Caractérisation STEM des croissances (a) MBEv1 (b) MBEv2 réalisées à la surface de substrats de silicium cristallin. La structure ordonnée des atomes de silicium est visible dans l’encadré de la figure 5.6a. Les régions plus claires représentent des éléments chimiques plus légers (bore [10.81 g/mol] < carbone [12.01 g/mol] < silicium [28.08 g/mol] < oxyde de silicium [60.08 g/mol]).
5.5. CARACTÉRISATION STEM ET EELS DES COUCHES DELTA 91
(a) MBEv1
(b) MBEv2
Figure 5.7 Caractérisation EELS des croissances (a) MBEv1 (b) MBEv2 réalisées à la surface de substrats de silicium cristallin. Les quantités normalisées de silicium (Si), de bore (B), d’oxygène (O) et de carbone (C) sont projetées sur les graphiques à droite.
La transmission théorique des empilements MBE observés par STEM et EELS est super- posée aux mesures de PDE (figure 5.5). La présence de silicium amorphe (<10 nm) sur les SPAD explique la diminution du PDE, particulièrement dans les UV. Elle explique également le décalage du pic de PDE ainsi que la réduction des minimas d’oscillation des SPAD sans ouverture. Comme le silicium amorphe est plutôt transparent dans l’infrarouge, le PDE des trois échantillons tend vers la même valeur au-dessus de 800 nm.
Des conclusions similaires peuvent être tirées de l’efficacité des SPAD dans les UV loin- tains. La figure 5.8 présente une mesure comparative des taux de comptage obtenus à 265 nm pour différentes tensions d’excès. Comme dans le visible, les SPAD sans ouverture présentent une meilleure efficacité à cause de la couche d’oxyde qui agit comme revête- ment antireflet. La couche de silicium amorphe déposée sur les SPAD MBEv1 et MBEv2 provoque l’absorption des photons VUV qui est plus prononcée lorsque la couche est plus épaisse. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0.0 2.0x10 5 4.0x10 5 6.0x10 5 8.0x10 5 1.0x10 6 1.2x10 6 1.4x10 6 1.6x10 6 T a u x d e c o m p t a g e c o r r i g é ( c p s ) Tension appliquée (V) l = 265 nm
SPAD sans ouverture SPAD avec ouverture
CP-017 sans MBE CP-022 MBEv1 CP-025 MBEv2
Figure 5.8 Taux de comptage corrigé pour le bruit d’obscurité et le bruit post- impulsionnel des SPAD avec et sans MBE à 265 nm selon la tension appliquée. La procédure de régression est présentée à la section 5.6.
5.6. PROBABILITÉ D’AVALANCHE 93