Etude des propriétés structurales et des défauts dans le système CdxHg1-xTe / Cd1-yZnyTe et recherche de voies d'améliorations technologiques pour la détection infrarouge à hautes températures

Study of the structural properties and defects in CdxHg1-xTe / Cd1-yZnyTe system and investigation of technological improvements for Infrared detection at high temperature

• Auteur / Autrice : Yohan Fourreau
• Direction : Gilles Patriarche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/07/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Gérard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Brylinski, Philippe Ballet, Vincent Destefanis, Jean-Christophe Peyrard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Engin Molva, Philippe Christol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie infrarouge

Semiconducteurs

Tellurure de mercure et de cadmium

Épitaxie

Mots clés libres

Infrarouge

Semiconducteur II-VI

CdHgTe

Epitaxie en phase liquide

Dislocations

CdZnTe

Infrared

Semiconductors II-VI

CdHgTe

Liquid-phase epitaxy

Résumé

La problématique de qualité des images des composants matriciels IR refroidis, à base de matériaux II-VI, fait partie des enjeux critiques pour SOFRADIR. Positionnées dans un contexte très concurrentiel, cette problématique est exacerbée à hautes températures (HOT). Elle concerne en particulier les filières CdHgTe, confrontées à des instabilités en bruit de certains pixels, dits ''clignotants'', difficilement corrigibles. Des études internes à SOFRADIR montrent un fort degré de corrélation entre ce bruit spécifique et la défectivité (densité de dislocations) de la couche d’absorption CdHgTe. L’amélioration des performances en bruit des imageurs IR à base de matériaux II-VI passe donc par l’amélioration de la défectivité de l’alliage CdHgTe. C’est l’objet de ces travaux de thèse. Plus spécifiquement, ces travaux ont eu pour principal objectif la réduction de la densité de dislocations des couches CdHgTe(111)B élaborées par Epitaxie en Phase Liquide (EPL) sur substrats CdZnTe, dits à ''accord de maille''. Précisément, ces études ciblent la réduction de la défectivité inhérente au désaccord paramétrique. Ces travaux montrent que la qualité cristalline des épitaxies CdHgTe se situe à l’état de l’art mondial lorsque les croissances s’effectuent à accord paramétrique. La dégradation de la qualité cristalline des croissances est corrélée avec l’augmentation du désaccord paramétrique, au demeurant très faible dans ce système (0,1% maximum). Plusieurs solutions ont été mises en œuvre dans ces travaux pour limiter la formation de dislocations dans l’épitaxie CdHgTe. Notamment, une méthode originale d’épitaxie du CdHgTe a été développée pour permettre la croissance de couches buffers épaisses entre le substrat et l’épitaxie. L’efficacité de cette méthode a été évaluée par des caractérisations physico-chimiques approfondies des couches buffers et des épitaxies HgCdTe EPL reprises sur ces mêmes buffers. Les performances électro-optiques de composants intégrant ces empilements ont également été évaluées. D’autres stratégies technologiques ont été étudiées afin d’améliorer la défectivité des alliages CdHgTe. L’étude de substrats quaternaires CdZnTeSe à paramètre de maille constant a ainsi été adressée. La qualité cristalline de ces substrats et des épitaxies CdHgTe réalisées est proche de l’état de l’art. Ces conclusions préliminaires ouvrent des perspectives de grand intérêt technologique.

Quality and stability issues of the images of the matrix components IR cooled with materials II-VI, in particular at high temperature with functioning is critical stakes for Sofradir in a very competitive context. In particular, CdHgTe FPAs are confronted with instabilities in noises of certain pixels, said ''blinkers'', dominated by a noise type RTS's low frequency (Random Telegraph Signal) difficult to correct. Works show that this specific noise is partially connected to the density of dislocations of the absorption layer, CdHgTe. The improvement of the performances in noise of imagers thus passes by the reduction of the density of dislocations of the alloy CdHgTe.More specifically, these works had for objectives the reduction of the density of dislocations stemming from the plastic relaxation of all or part of the constraints related to the lattice mismatch between the liquid-phase epitaxy (EPL) CdHgTe ( 111 ) B and its CdZnTe substrate.It is shown in these works that the crystalline quality of CdHgTe is situated in the world state of the art when the growths are made in lattice-match conditions (EPD from 9.103 to 5.104 cm-2). The degradation of the crystalline quality of epitaxy is then correlated to the increase of the lattice mismatch substrate-epitaxy, which remains very low (0,1 %). From then on, several solutions, partially stemming from the literature of the systems CdHgTe on If, GaAs or Ge, in strong lattice mismatch (> 13 %), were implemented in these works to limit the formation of misfit dislocations within the CdHgTe layer. In particular, A specific method based on CdHgTe epitaxy was developed to reduce lattice mismatch between the CdZnTe substrate and the CdHgTe epitaxy. The efficiency of this method is estimated since the structural characterization CdHgTe layers, up to the analysis of the electro-optical performances of FPA components.Finally, the problem of the lattice mismatch is approached on a wider frame, in particular via the study of other II-VI-based alloys allowing the realization of lattice-match substrates for CdHgTe. The crystalline quality of these substrates and the realized CdHgTe layers is close to the state of the art. These preliminary conclusions open perspectives of big interest.