(DUT). La mesure du taux de photons (Nph) est répétée avec les mêmes filtres à densité
neutres pour chaque longueur d’onde correspondante.
(a) (b)
Figure 4.2 (a) Schéma et (b) photo du montage expérimental pour la mesure de l’efficacité de photodétection par substitution.
4.5
Mesure du PDE relatif dans les UV
La mesure du PDE dans le spectre des UV se fait à l’aide d’une diode électroluminescente monochromatique centrée à 265 nm (Crystal IS KL265-50T-SM-WDM2) et d’un filtre UV passe-bande (Newport 10LF10-266-B). La figure 4.3a montre le spectre d’émission de la DEL.
Sans détecteur de référence calibré, ce montage permet une mesure comparative du taux de comptage entre les SPAD étudiés (figure 4.3b). Pour chaque échantillon, la DEL est placée à la même distance et éclaire l’intérieur de la boite noire. L’intensité de la DEL est tenue constante entre chaque test. Le tube qui contient le filtre passe-bande est appuyé sur la carte de caractérisation des SPAD. Cette configuration simple permet un éclairage uniforme et peu sensible à la position axiale du SPAD.
Les taux de comptage à 265 nm sont similaires à ceux que l’on pourrait obtenir à 175 nm puisque ces photons possèdent sensiblement la même profondeur de pénétration dans le silicium (265 nm ; 1/α = 4.8 nm et 175 nm ; 1/α = 5.8 nm). Cependant, s’il y a un revê- tement antireflet à la surface du silicium (e.g. SiO2), la grande dépendance en longueur
d’onde des coefficients d’extinction de ces matériaux risque d’augmenter l’absorption de la lumière davantage à 175 nm (figure 1.7). De plus, le rendement quantique (quantum yield), c’est-à-dire le nombre de paires électron-trou générées par un photon, est plus grand que 1
dans le silicium pour les UV (<320 nm) [151]. Il est d’environ 2.0 à 175 nm alors qu’il est de 1.2 à 265 nm. Ainsi, il pourrait exister des différences entre les conclusions présentées à 265 nm de celles à 175 nm. Néanmoins, la caractérisation à 265 nm reste un outil d’analyse pertinent pour comprendre le comportement des SPAD dans les UV.
200 220 240 260 280 300 320 340 360 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 Paramètres d'opération 0.30A; 6.13V I n t e n s i t é r e l a t i v e ( u . a . ) Longueur d'onde (nm) FW HM: 10.8 nm max. 285 nm min. 245 nm pic 264.3 nm (a) (b)
Figure 4.3 (a) Spectre d’émission de la DEL UVC à 265 nm. (b) Montage pour la mesure de l’efficacité de photodétection relative dans les UV.
CHAPITRE 5
RÉSULTATS ET ANALYSE
Le chapitre 5 présente les performances des SPAD ayant reçu le dépôt MBE décrit à la section 3.3. Dans le but d’évaluer l’innocuité du procédé d’épitaxie, les caractéristiques de SPAD sans MBE et avec MBE sont comparés, notamment, la tension de claquage (section 5.1), le bruit d’obscurité (section 5.2), le bruit post-impulsionnel (section 5.3) et l’efficacité de photodétection (section 5.4). Afin d’évaluer la qualité du dépôt MBE (uni- formité, cristallinité et épaisseur), des images de la surface ont été produites par microsco- pie électronique en transmission à balayage (scanning transmission electron microscopy -
STEM ). Une analyse par spectroscopie de perte d’énergie des électrons (electron energy loss spectroscopy - EELS ) a aussi permis d’identifier les éléments chimiques présents dans
le dépôt MBE.
Avant-propos – Les analyses STEM et EELS ont dévoilées une croissance amorphe de la
couche MBE. La présence de silicium amorphe en surface du SPAD cause l’absorption prématurée des photons incidents. De plus, elle ne permet pas l’activation électrique des dopants et empêche la courbure adéquate des bandes d’énergie en surface. Ainsi, les couches delta fabriquées lors de ce projet de maîtrise réduisent l’efficacité de photodétection dans le spectre du visible et de l’ultraviolet. Malgré tout, une caractérisation complète des SPAD est réalisée. Ce chapitre expose les variations de performances observées et propose des pistes de solution afin de produire une croissance cristalline de la couche delta.
5.1
Tension de claquage
La tension de claquage VBDde tous les SPAD caractérisés est illustrée à la figure 5.1. Pour
l’entièreté de la population (109 SPAD), la tension de claquage moyenne est de 22.22 V avec des valeurs minimales et maximales de 22.04 V et 22.32 V.
Afin d’étudier les corrélations possibles entre la présence de la couche MBE et la tension de claquage, les valeurs mesurées de VBD sont présentées à l’aide de fonctions quantiles et
regroupées selon la taille de l’ouverture d’oxyde (figure 5.1a) ou selon la séquence MBE subite (figure 5.1c). Ces mêmes données sont illustrées à l’aide de boites à moustaches aux figures 5.1b et 5.1d.
0% 25% 50% 75% 100% 21.9 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 T e n s io n d e c l a q u a g e ( V ) Distribution de la population Taille de l'ouverture 2.a - n/a 2.b - 9% 2.c - 36% 2.d - 52% (a) 2.a - n/a 2.b - 9% 2.c - 36% 2.d - 52% 21.9 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 22.18 22.28 22.3 22.04 22.21565 22.14 22.27 22.31 22.08 22.2025 22.145 22.27 22.3 22.12 22.19937 22.18 22.28 22.32 22.05 22.22593 Taille de l'ouverture T e n s io n d e c l a q u a g e ( V ) Quartile 25%~75% 1.5 intervalle interquartile Ligne médiane Valeur moyenne Données brutes (b) 0% 25% 50% 75% 100% 21.9 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 T e n s i o n d e c l a q u a g e ( V ) Distribution de la population Séquence MBE Sans MBE MBEv1 MBEv1 masqué MBEv2 (c)
Sans MBE MBEv1 MBEv1 masqué MBEv2 21.9 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 22.24 22.29 22.32 22.19 22.26 22.13 22.28 22.32 22.04 22.2 22.17 22.24 22.25 22.09 22.2 22.16 22.27 22.31 22.05 22.21 Séquence MBE T e n s i o n d e c l a q u a g e ( V ) Quartile 25%~75% 1.5 intervalle interquartile Ligne médiane Valeur moyenne Données brutes (d)
Figure 5.1 La distribution de la tension de claquage dans la population de SPAD selon la taille de l’ouverture d’oxyde (voir figure 3.12) est illustrée à l’aide de (a) fonctions quantiles ou (b) de boites à moustaches. Les mêmes données sont aussi illustrées selon la séquence MBE en (c) et (d). Les différences de procédé entre chaque séquence MBE sont décrites au tableau 3.3.
L’entrelacement des courbes de population ou plutôt la similitude entre les distributions montrent une absence de corrélation entre VBD et la taille de l’ouverture d’oxyde. Les
boites à moustaches, qui représentent les quartiles 25 %-75 %, renforcent cette observation puisqu’elles se chevauchent toutes mutuellement. En effet, la tension de claquage ne de- vrait pas être affectée par des modifications effectuées en surface du SPAD puisqu’elle est principalement dictée par la géométrie et le profil de concentration de la jonction pn. Les distributions classées selon la séquence MBE montrent que les SPAD sans MBE pos- sèdent un VBD plus élevé. En effet, environ 75 % de la population possède un VBD plus
élevé que les SPAD avec MBE qui eux s’entrelacent. Les boites à moustaches montrent aussi un chevauchement des quartiles 25 %-75 % plus important pour les SPAD ayant subi
5.1. TENSION DE CLAQUAGE 81
(a) (b)
Figure 5.2 (a) Position des échantillons avec MBE et sans MBE de la gaufre O834. (b) Cartographie de la tension de claquage à l’échelle d’une gaufre provenant du même procédé de fabrication.
une séquence MBE. Toutefois, il est difficile d’établir une dépendance entre la tension de claquage et le procédé MBE.
La tension de claquage étant définie principalement par la distribution des dopants aux abords de la jonction pn, il est peu probable que la rampe en température du procédé MBE (300◦C) ait causé la diffusion des dopants. De plus, une diffusion des dopants aurait élargi la zone de déplétion et ainsi diminué l’amplitude du champ électrique formée. L’atteinte du seuil d’ionisation par impact, et donc de la tension de claquage, aurait donc été augmentée. Dans le cas présent, le phénomène inverse est observé (i.e. la tension de claquage diminue pour les SPAD avec MBE).
L’hypothèse qui explique la non-uniformité de la tension de claquage serait reliée au fait que les SPAD proviennent de positions différentes sur la même gaufre. La figure 5.2a montre la position relative de chaque échantillon sur la gaufre O834 qui a été utilisée pour tous les tests MBE. La figure 5.2b montre quant à elle des mesures de VBD réalisées
sur une autre gaufre provenant d’un produit similaire. Sur cette dernière, on observe une variation radiale de la tension de claquage d’environ 250 mV sur une distance de 5 cm. Une variation qui peut s’expliquer par un gradient latéral naturel des dopants lors des étapes d’implantations chez TDSI. Il est donc possible que la variation de 300 mV observée sur la gaufre O834 soit causée par le même effet.
En résumé, le procédé MBE n’a pas d’influence marquée sur la tension de claquage. Il est davantage probable que les écarts observés soient reliés aux variations naturelles qui
existent lors de la fabrication de la jonction pn des SPAD (e.g. implantation ionique, recuit thermique, etc.).