Microscope optique a balayage pour 'etude descomposants optoelectroniques

C. Peremarti

In this paper we describe an optical scanning microscope (MOB) which explores step by step the surface ofphotodiodes of small areas used for optical communications. Our technique is well suited for the digitaliza-tion of the photocurrent and relevant parameters. The apparatus and numerical data processing are de-scribed. Experimental results are presented in the form of tridimensional maps. The technique is appliedto germanium avalanche photodiodes and silicon solar cells. Small inhomogeneities of active surfaces aredisplayed.

1. Introduction

L'6volution des techniques de fabrication des com-posants semi-conducteurs conduit a l'apparition sur lemarch6 d'une grande variete de dispositifs opto6lec-troniques. La miniaturisation des 6l6ments fabriquesn6cessite la mise en oeuvre de moyens de contr6le et decaract6risation sophistiques. Les techniques optiquesnon destructives, par la richesse des renseignementsqu'elles fournissent, jouent un rle prepond6rant.

Le microscope optique a balayage (MOB) pr6sent6ici a te concu et dvelopp ds 1980 pour l'6tude descomposants photosensibles. Parmi les applications quiapparaissent, nous pouvons citer: mesure de photo-courant, photovoltage, pouvoir rflecteur, coefficientd'absorption etc.... La methode d'analyse est tout fait conventionnelle, mais l'utilisation conjointe d'unem6canique de pr6cision, d'une optique performante etd'un calculateur permet d'obtenir pour un investisse-ment raisonnable un ensemble de rsultats attractifspr6sent6s sous forme de cartographies tridimension-nelles, qui font de cet appareillage un lement indis-pensable de mesure aussi bien pour les laboratoires6tudiant les caract6ristiques opto6lectroniques descomposants que pour ceux sp6cialis6s dans le contrblede qualit6 des fabrications.

Par rapport aux techniques de balayage drivees duprincipe utilis6 en tl6vision, 1 le MOB tudi6 ici ralise

The author is with Universite des Sciences et Techniques duLanguedoc, Equipe Micro-Optoelectronique de Montpellier, F34060Montpellier CEDEX, France.

Received 4 August 1983.0003-6935/84/020344-04$02.00/0.Oc 1984 Optical Society of America.

une analyse point par point de la surface a tudier pard6placement de celle-ci. Cette mthode presentequelques avantages: amelioration du rapport signal abruit, mise au point uniforme durant toute la trame sil'on respecte au cours du dplacement la perpendicu-larit6 du faisceau incident et de la surface a tudier,suppression des causes principales d'aberrations puis-que l'ensemble optique demeure fixe, grande pr6cisiondans le positionnement de la surface a tudier grace al'utilisation de tables a dplacements microm6tri-ques.

Nous dcrirons les 6l6ments essentiels qui composent(fig. 1) le MOB et que l'on peut regrouper en troissous-ensembles: montage optique, systeme de posi-tionnement spatial de l'echantillon et acquisition ettraitement des donnees.

Nous donnerons quelques rsultats experimentauxrelatifs a l'6tude du photocourant gn6r6 par des pho-todiodes a avalanche et par des cellules solaires sili-cium.

II. Montage optiqueLe sch6ma de principe est donn6 a la fig. 2. Le

montage est utilis6 en microscope conventionnel, sil'echantillon plac6 dans le plan P2 est une photodiode,ou en microscope confocal a rflexion si un photod6-tecteur ponctuel est plac6 en P. Dans ce cas le MOBpeut tre utilis6 pour des mesures de pouvoir rflecteurou des profils de surface. 2

Les sources lumineuses situees dans le plan P peu-vent tre relles ou virtuelles. L'6tude de la photor6-ponse de la plupart des photodiodes peut tre raliseen prenant comme source relle une diode lectrolum-inescente (DEL) ou une diode laser. En effet, leurfaible surface missive (diametres inf6rieurs a 50 m)permet d'obtenir des spots de faibles dimensions, et leurlongueur d'onde d'6mission s'6chelonne de fapon dis-

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Fig. 1. Sch6ma de principe du microscope optique a balayage.

ECLAIRAGE DE L'ECHANTILLON

traduit par une excellente reproductibilit6 des mesurespour un meme 6chantillon.

Les commandes lectriques des moteurs pas a passont interfac6es IEEE 488. La sequence de deplace-ment est definie par un programme qui determine se-quentiellement le cycle mesure-deplacement jusqu'aexploration complete de la trame.

L'obtention du spot de diametre minimum sur echantillon necessite deux 6tapes: l'observation visuelledans le plan P2 des images nettes de la surface a analyseret du spot sur celle-ci et la mise au point pr6cise qui peut6tre r6alis6e en utilisant un obturateur vibrant.3 Unemise au point uniforme durant la totalit6 de l'explora-tion de la trame necessite une evaluation de l'erreurangulaire maximum admissible dans la perpendiculariteentre l'axe optique et la position de l'6chantillon. Ladistribution d'intensite d'un faisceau laser pour le modeTEMoo est donne par4 :

01X I1

YZAXE _

OPT IQUE

ECHANTILLON P2

LAME SEMI-REFLECHISSANTE

V~7-- - ___ I Pi

SOURCELUMINEUSE

OBJECTIF AMIROIR

PI(r,z) = 2 exp(-r2 /2cy2),

27ru2(1)

avecu(z) = a[1 + (Xz/47ra2)2 ]1 /2 . (2)

P est la puissance totale du faisceau laser, X la longueurd'onde, r la coordonnee radiale et z la distance au planfocal de la lentille convergente.

L'ecart type minimal ro dans le plan focal est d6finipar:

(3)ao= Xf/rd = X/2-rN,

avec

N = d/2f.

Fig. 2. Dispositif optique.

crete du visible au proche infrarouge. Dans le cas del'6tude des r6ponses spectrales, on r6alise des sourcesvirtuelles en focalisant sur des diaphragmes de diametre10, 20, ou 50 Am le faisceau issu d'un monochroma-teur.

La focalisation du faisceau sur l'echantillon est ob-tenue a l'aide d'un objectif a miroir. De par leur con-stitution ces objectifs presentent une zone centraleobscure. Un petit miroir (0 = 3 mm) convenablementdispos6 dans cette zone permet, sans alt6rer les carac-t6ristiques du faisceau incident, d'eclairer la surface del'echantillon a l'aide d'une source blanche S2 exterieure.La lame semi-r6fl6chissante L et l'objectif 02 formentdans le plan P2 l'image de l'6chantillon et de la sourcesur celui-ci. Ce controle visuel autorise avec un pre-positionnement mecanique precis un centrage correctde l'ensemble et une mise au point rapide.

11. Systeme de positionnement spatial

La mobilite de l'echantillon par rapport au spot ex-plorateur dans le plan (x,y) est assur6 par des tables adeplacements micrometriques entrainces par des mo-teurs pas a pas. Le d6placement el6mentaire (un pas)est de 1 ,um selon y, de 0.1 ,um selon x, et de 0.1 ,um selonz, la sensibilite est meilleure que 0.01 ,im, ce qui se

(4)

f est la distance focale de la lentille; d est le diametre dufaisceau, mesure prise entre les points situ6s a l/e 2 del'6nergie maximale. On montre ais6ment que d =4o-.

Nous admettrons, par hypothese, qu'une augmen-tation de 10% du diametre du faisceau (fig. 3) est lalimite sup6rieure admissible, c'est-a-dire:

(d - do)/do = ( - o)/o = 0,1; (5)

en r6solvant avec les eqs (2) et (3), il vient: z = 0.58X/N2. En utilisant comme source lumineuse un laserHe-Ne (X = 0.6328 gim) dont le diametre du faisceau est

A

(r,z)

i°

az.__ -4-

ID

, _; 4

Fig. 3. Determination de l'erreur maximale admissible dans laperpendicularit6 de l'echantillon et du faisceau incident.

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C

-)

D = 0.8 mm et un objectif a miroir de distance focale f= 5.4 mm, la translation permise est = 16.82 gim.L'erreur angulaire maximale admissible dans la per-pendicularit6 entre l'axe optique et l'echantillon peutetre estimee pour une photodiode circulaire de diametre0 = 200 gim. On obtient 0 = arcsin (1.167 X)/k - N 2 ,soit 0 = 9.7°. Nous pouvons conclure que le MOB estpeu affect6 par ces erreurs angulaires.

Le controle de la mise au point optimale est verifi6 al'aide d'une photodiode (Si) specialement prepar6e parle Centre National d'Etude des T6l6communications,dont la surface est recouverte de bandes d'aluminium(fig. 4). Pour un spot ponctuel la rponse th6orique enphotocourant est donn6e, pour une exploration selonun diametre x'x, a la fig. 5(a). La rponse du MOB estcelle de la fig. 5(b) dans les memes conditions experi-mentales que prec6demment:

source laser: D = 0.8 mm,X = 0.6328 gm,

objectif a miroir: ouverture numerique, 0.5,distance focale, f = 5.4 mm,

pas de mesure selon x'x: 0.1 gim.A la taille minimale du faisceau, l'ecart type c0 est de

l'ordre de 1.35 gim. Cette valeur est confirm6e par letrac6 de la fig. 5(b).

IV. Acquisition et traitement des donnees

Le faisceau lumineux issu de la source optique estmodule en amplitude. Le signal lectrique en prove-nance du photod6tecteur est amplifi6 et dtect6 a l'aided'une detection synchrone. La tension continue, ensortie de celle-ci, est convertie en donne num6rique parun voltmtre analogique digital. La valeur disponibleest memorisee pour chaque point par le calculateur.

L'op6rateur fixe la longueur de la ligne x et la distanceentre deux points de mesure Ax; il en est de mme pourla largeur y et le pas entre deux lignes Ay.

En chaque point o s'effectue le releve d'une valeurde photocourant, par exemple, il est ncessaire de pre-voir une temporisation au moins gale a la valeur de laconstante de temps affichee sur la detection synchrone.C'est donc le rapport signal a bruit du photod6tecteur6tudi6 qui dtermine le temps total d'exploration d'unesurface donn6e.

Les points de la surface analys6e sont m6moris6s sousla forme d'une matrice A (I,J) dans laquelle chaque 61-6ment est significatif de l'amplitude du parametre6tudi6 (photocourant, photovoltage, etc.) de coor-donn6es (I,J) avec J variant de 1 a xAx, I variant de1 a y/Ay.

Les rsultats exp6rimentaux sont pr6sentes sous deuxformes: vue en perspective et cartographie d'isoni-veaux.

La vue en perspective, obtenue sur table tracante,donne une representation tridimensionnelle du com-posant, les axes x et y correspondent aux dimensionsg6om6triques et l'axe R est celui o est port6e l'ampli-tude du parametre. La technique utilis6e est la sui-vante: a partir du tableau de valeur m6moris6 par lecalculateur, l'effet de perspective s'obtient en incr6m-entant d'une m6me quantite les origines de coordonn6es

Fig. 4. Photodiode (Si) utilisee pour verifier la mise au point opti-male du MOB.

0Fig. 5. (a)ponctuelle.

10 20 30 40 50 60 70 80Reponse ideale de la photodiode test a une excitation

(b) R6ponse du MOB dens les memes conditionsexperimentales.

de tous les points d'une m6me ligne et en supprimantla trac6 des points dont l'amplitude est inf6rieure a l'unquelconque des points de m6me abscisse, qui le pr6cededans le trac6. Si la vue en perspective est attractivequant a la visualisation des dfauts, elle ne fournit pasune representation complete du dispositif.

La cartographie d'isoniveaux identique a une vuea6rienne apporte le complement de renseignementsindispensables. Le principe est le suivant: les ampli-tudes relatives du maximum et du minimum, contenuesdans le tableau mmoris6 par le calculateur, sont nor-malis6es a 1 et 0, respectivement. Toutes les ampli-tudes sont alors quantifi6es en dix niveaux de gris6chelonn6s du blanc (niveau 0) au noir (niveau 1). Cesdiff6rents tons de gris sont obtenus en modulant ladensit6 spatiale des points d'une matrice 6l6mentaired'6criture d'une imprimante a aiguilles.

La m6morisation par le calculateur des informationsrelatives a la surface analys6e autorise, pour la pr6sen-tation des rsultats, les traitements informatiques lesplus vari6s, qui peuvent concourir a mettre davantageen vidence les particularit6s int6ressantes du compo-sant tudie.

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Rn pA x

Fig. 6. Cartographie optique en perspective d'une photodiode a

avalanche (Ge) polarisation nulle: Zone active + anneau degarde.

0 100

Fig. 7. Cartographie optique de la zone active a Vp = 0.98VBR.

0 - 120 pm

Fig. 8. Cartographie en perspective d'une cellule solaire (Si).

V. Resultats experimentaux

Nous ne reporterons ici que des r6sultats relatifs a desmesures de photocourant g6n6r6s par des photodiodessoumises a des flux lumineux d'6nergie moyenne con-stante. La surface a analyser joue donc le role de d6-tecteur, et le MOB est utilis6 pour cette application enmicroscope conventionnel.

Les r6sultats pr6sent6s concernent des photodiodesde la CIT Alcatel. Ces photod6tecteurs de la s6rieCG4100-4200 ont les caract6ristiques suivantes:

diametre de la zone active D: de 70 a 200 gim,domaine spectral X: de 1000 a 1600 nm,sensibilite So moyen: 0.45 A/W,tension de claquage VBR moyen: 33 V.La source optique est une diode 6lectroluminescente

6mettant a X = 1.3 ,gm a double h6t6rojonction, Gal-nAsP/InP de la s6rie DE 1000 du m6me fabricant.

La fig. 6 donne une representation du photocouranta polarisation nulle. Cette vue g6n6rale permet de

g.- �� d� �

Fig. 9. Cartographie d'isoniveaux mettant en evidence l'action durecuit par laser YAG pulse.

pr6ciser les dimensions initiales de la diode. En aug-mentant la polarisation inverse jusqu'a 0.98 VBR, onpeut n'6tudier que la zone photosensible (fig. 7). Il estalors possible de visualiser et de localiser avec pr6cisionles d6fauts de plan6it6 de la zone active. I apparait eneffet que les d6clivites topographiques de cette zone sontsignificatives de la non-homog6n6it6 du facteur demultiplication, lequel introduit sur une gamme r6duitede polarisation l'existence d'un bruit en crenaux.5

Les cartographies d'isoniveaux permettent de faireapparaitre les h6t6rog6n6it6s difficilement d6celablessur les vues en perspective. Ceci est mis en valeur lorsde l'6tude du photocourant g6n6r6 par des cellules so-laires (Si) ayant subi une implantation ionique suivied'un recuit par laser puls6, Cette technique permetd'obtenir des cellules solaires de grande surface a basprix. 6 Pour obtenir la densit6 d'6nergie compatible aurecuit, le faisceau laser est focalis6 sur une zone circu-laire d'une centaine de microns de diametre. La vue enperspective de la fig. 8 ne permet pas de faire apparaitreclairement l'action du recuit laser, alors que la carto-graphie d'isoniveaux (fig. 9), grace a l'excellent rapportsignal a bruit du montage, permet de mettre en 6videnceles points d'impact du faisceau puls6 et les h6t6ro-g6n6it6s du rendement quantique de la surface pro-voqu6es par la m6thode elle m6me. Ces cellules ont et66tudi6es a l'aide d'une source laser a X = 0.63 gm.

Nous remercions, pour pr6t des 6chantillons, C.Ruineau de la C.I.T. Alcatel, Marcoussis, et M. C. Boissyde la R.T.C. Caen.

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