sentées afin de permettre la croissance épitaxiale d’une couche de silicium très fortement dopée à sa surface. Pour la première fois, cette technique, utilisée par le passé pour les CCD, est appliquée à des photodiodes à avalanche monophotonique illuminées en face avant. Une caractérisation de la couche est réalisée et son impact sur l’efficacité de photo- détection est présenté.
1.10
Plan du mémoire
Le présent mémoire établit tout d’abord une base théorique sur la détection de photons avec des photodiodes à avalanche monophotonique. Une emphase est mise sur les para- mètres qui définissent l’efficacité de photodétection. Ces paramètres ainsi que les tech- niques pour les améliorer sont présentés dans l’état de l’art au chapitre 2.
Le chapitre 3 Conception présente une analyse numérique qui détermine les configura- tions optimales d’un revêtement antireflet ainsi que d’un dopage abrupt placé à la surface d’une photodiode de silicium. Il fait également état des modifications apportées au pro- cédé de fabrication des photodiodes chez TDSI afin de permettre la croissance épitaxiale de silicium sur leur surface photosensible.
Le chapitre 4 Méthode expérimentale présente les dispositifs issus du procédé de fabrication modifié pour la détection de photons VUV. Les méthodes de caractérisation du bruit d’obscurité et de l’efficacité de photodétection y sont aussi présentées.
Le chapitre 5 Résultats et analyses présente une analyse des résultats obtenus. Il contient, entre autres, la caractérisation de l’empilement de silicium épitaxié et fortement dopé ainsi que les performances des détecteurs ayant subi le procédé modifié. Ensuite, les résultats importants de ce mémoire sont discutés et des hypothèses sont suggérées afin d’expliquer les comportements observés.
CHAPITRE 2
ÉTAT DE L’ART
L’état de l’art débute par une revue des principes de base du photomultiplicateur en silicium. Il présente son opération dans le cadre du domaine de l’instrumentation de ra- diation. Les différents phénomènes nuisibles tels que le bruit d’obscurité et le bruit post- impulsionnel sont introduits. Un survol est également fait sur les principes qui gouvernent l’efficacité de photodétection.
2.1
Le photomultiplicateur en silicium
Le photomultiplicateur en silicium (silicon photomultiplier - SiPM ), illustré à la figure 2.1a, est un dispositif à semiconducteur composé de centaines, parfois même de milliers, de pho- todiodes à avalanche monophotonique (single-photon avalanche diode - SPAD) capables de compter un à un les photons. Le SPAD convertit la lumière incidente en un signal électrique grâce à l’effet photoélectrique [72]. Lorsqu’un photon entre en contact avec un semiconducteur et que son énergie est supérieure à l’énergie de la bande interdite, ou gap, il peut exciter un électron de la bande de valence jusqu’à la bande de conduction. Sous les bonnes conditions de polarisation (mode Geiger), le transfert d’une bande d’énergie à une autre augmente momentanément le nombre de porteurs libres dans le SPAD qui sont récoltés par un circuit de lecture externe.
Le silicium est classé dans la catégorie des semiconducteurs à gap indirect, c’est-à-dire que les extremums en énergie de sa bande de valence et de sa bande de conduction ne correspondent pas au même moment cristallin. En d’autres mots, un électron qui se situe sur la bande de valence doit acquérir une certaine quantité de mouvement, conférée par un phonon par exemple, pour atteindre la bande de conduction la plus près (Eg). La
figure 2.1b illustre le parcours d’un électron à travers la structure de bande du silicium. L’énergie du premier gap indirect (Eg) et direct (EΓ1) du silicium sont respectivement 1.11 eV et 3.4 eV. Ainsi, lorsque l’énergie du photon ¯hω est plus petite que EΓ1, l’absorp- tion requiert la présence d’un phonon. Ce phénomène à trois particules (photon, phonon et silicium) limite la probabilité d’absorption du photon. Au contraire, lorsque ¯hω > EΓ1, l’absorption photon-silicium est plus probable. Ce phénomène explique entre autres pour- quoi un photon de plus haute énergie (UV < 365 nm) est absorbé plus près de la surface
qu’un photon de basse énergie (visible et IR < 1117 nm) qui doit nécessairement être combiné à un phonon (figure 1.8).
(a) (b)
Figure 2.1 (a) Le SiPM VUV4 (S13370-6050CN) de Hamamatsu. La surface photo- sensible efficace est de 6× 6 mm2 alors que la taille de chaque SPAD est de 50 µm [73]. (b) Structure de bande du silicium suivant les directions [111] et [100]. Image adaptée de [74].
La jonction pn, soit la mise en commun d’une région dopée d’éléments III (type-p - ac- cepteur) et d’une région dopée d’éléments V (type-n - donneur), est la zone principale du SPAD. La figure 2.2 illustre (a) le profil de dopants ρ, (b) le champ électrique E et (c) les bandes d’énergie E d’une jonction pn typique. Ces quantités sont reliées par les équations de Poisson [74] : d2ψ i dx2 =− dE dx = −ρ ϵs , (2.1)
où le potentiel électrique ψi =−Eqi est relié aux bandes d’énergie et ϵs est la permittivité
électrique du silicium.
Aux abords de la jonction pn, les dopants type-p et type-n s’échangent leurs porteurs de charges qui diffusent pour atteindre un équilibre. Dans cette zone de déplétion, le silicium est dépourvu de porteurs libres ce qui mène à la création d’un champ électrique intense. À l’état d’équilibre, les bandes d’énergie se courbent de façon à ce que le niveau de Fermi (EF) soit aligné entre les deux régions.
2.1. LE PHOTOMULTIPLICATEUR EN SILICIUM 23 Lors de son opération, le SPAD est polarisé en mode Geiger, c’est-à-dire en inverse au-delà de sa tension de claquage (VBD). Ceci a pour effet d’augmenter le champ électrique et de
distancer le niveau de Fermi des régions p et n. Ainsi, lorsqu’un porteur libre atteint la zone de déplétion, il est fortement accéléré. Après un certain temps, il acquiert assez d’énergie pour causer l’ionisation des atomes de silicium voisins. Ce transfère d’énergie permet de déloger d’autres porteurs libres qui peuvent produire à leur tour de l’ionisation par impact [75]. Si l’énergie initiale est suffisante, le processus s’emballe et crée une avalanche de charges à travers la zone de déplétion. Lorsque des SPAD sont placés en matrice et connectés à de l’électronique externe, le gain avalanche d’un SiPM varie généralement entre 104 et 106 électrons par photon absorbé et lui confère ses capacités de détection à photon unique. L’avalanche d’électrons forme un courant suffisamment élevé pour être lu par un circuit de lecture externe.
Figure 2.2 Profil typique d’un SPAD p+n illuminé en face avant et digramme de bandes d’énergie. Un photon (λ) transfère son énergie à un électron de la bande de valence (EV) vers la bande de conduction (EC). L’électron libre dérive ou diffuse vers