Matrices de détecteurs infrarouge en CdHgTe courbes : mise en forme hémisphérique et propriétés optoélectroniques induites

Curved infrared focal plane array : hemispherical forming and induced optoelectronic properties

• Auteur / Autrice : Kévin Tékaya
• Direction : Karim Inal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Georges Gasser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Inal, Manuel Fendler, Philippe Christol, Elisabeth Massoni, Nicolas Guérineau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rafael Estevez, Franck Ruffier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Innovation

Matrices bolométriques

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Détecteur courbe

CdHgTe

Optoélectronique

Curved detector

HgCdTe

Optoelectronics

Résumé

À la frontière entre l'optoélectronique et la conception des systèmes optiques, les matrices de détecteurs possèdent aujourd'hui une forme plane, liée aux technologies standard de la microélectronique. Or, la courbure sphérique de la surface de détection permettrait un gain substantiel sur les systèmes optiques en termes de volume, de masse et finalement de coût. Cette solution est par ailleurs largement répandue dans le monde vivant (œil camérulaire humain, yeux composés des mouches, etc).Des travaux de thèse précédents ont mis en évidence l'intérêt de la rétine courbe bio-inspirée en réalisant une matrice de microbolomètres infrarouge hémisphérique.Pendant la thèse, le procédé de courbure de composants en silicium (e.g. les bolomètres) a été optimisé et stabilisé à l'aide d'un plan d'expérience et d'une simulation par éléments finis incluant l'anisotropie du silicium. Des formes sphériques convexe et concave sans défauts (pliures et méplat) ont été démontrées sur des puces carrées et rectangulaires en tirant profit de leur flexibilité aux faibles épaisseurs.D'autre part, un nouveau procédé de courbure pour les composants hybrides (flip-chip) a permis la réalisation de plusieurs matrices fonctionnelles de détecteurs quantiques en CdHgTe courbes. Des formes sphériques concaves, convexes et cylindriques concaves à des rayons compris entre 550 et 100 mm ont été obtenues avec succès malgré la fragilité mécanique du CdHgTe.Des mesures optoélectroniques nécessitant de multiples adaptations pour ces nouveaux composants courbes ont démontré leur bonne opérabilité (>97 %) en termes de courant photonique, réponse, bruit et courant d'obscurité. Une simulation par éléments finis de la mise en forme, intégrant l'anisotropie du CdHgTe, a permis de mettre en relation les contraintes et déformations avec les propriétés optoélectroniques de ce semi-conducteur II-VI. La localisation et l'émergence de lignes de glissement ainsi que l'identification des dislocations mises en jeu sont notamment discutées.Le premier prototype de caméra compacte infrarouge à détecteurs courbes a été réalisé et confirme le bon fonctionnement du composant et son potentiel.

At the optoelectronics and optical systems conception boundary, focal plane arrays have a planar shape because of microelectronics technologies. Yet spherical focal plane arrays would simplify optical systems conception and reduce volume, weight and total cost. This shape is widespread in Nature - human concave eye, arthropods convex compound eyes, etc.The advantages of the bio-inspired curved retina have been established in previous works, where a spherical infrared microbolometers array was manufactured.During this thesis, the silicium-based devices curving proccess (e.g. bolometers) has been optimised thanks to a design of experiments and a finite element simulation including silicium anisotropy. Convex and concave shapes without defects (folds and flat part) have been demonstrated with square and rectangular chips due to their flexibility at small thicknesses.Then, a new and different curving proccess for hybrid devices (flip-chip) was developed. Several curved CdHgTe focal plane arrays were obtained and fully fonctionnal. Concave and convex spherical shapes as well as concave cylindrical shapes have been successfully achieved despite a high CdHgTe fragility.Optoelectronic measurements such as photonic current, responsivity, noise and dark current were performed with some adaptation for curved devices. High operabilities have been demonstrated (> 97 %). In addition a finite element simulation of the proccess has been conducted with the CdHgTe anisotropy. Direct relations between induced stress and strain, and optoelectronic properties, have been proved in this II-VI semiconductor. Location and surfacing of slip lines as well as dislocations identification are discussed.Finally, a compact infrared camera prototype with a curved CdHgTe focal plane array has been manufactured for the first time. It confirms that the device is fully fonctionnal and has a great potential for high value applications.