Nouvelle méthode de passivation de photodiode CdHgTe et amélioration de la compréhension de l’influence du procédé sur les performances électro-optiques

A new passivation method for HgCdTe photodiodes and improvement of process influence understanding on electro-optical performances

• Auteur / Autrice : Ségolène Lienard
• Direction : Christophe Vallée, Diane Sam-Giao, Alexandre Kerlain, François Boulard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/07/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Kerlain, Maurice Quillec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre-Yves Tessier, Maurice Quillec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à infrarouges

Couches minces

Photodiodes

Tellurure de mercure et de cadmium

Mots clés libres

Passivation

CdHgTe

Dépôt Physique

Couches minces

Détection infrarouge

Passivation

CdHgTe

Physical Deposition

Thin film

Infrared detection

Résumé

Les propriétés de l’alliage CdHgTe en font le semiconducteur de référence pour la détection InfraRouge (IR) très haute performance. Cependant, le refroidissement des plans focaux IR représente une limite importante dans l’utilisation, l’encombrement et le coût de tels détecteurs. La problématique de l’augmentation de la température de fonctionnement est un enjeu concurrentiel extrêmement fort. A haute température, un des phénomènes limitant les imageurs quantiques est l’apparition de bruit basse fréquence. L’identification de son origine, volume ou surface du CdHgTe, en lien avec les procédés d’élaborations des plans focaux, est au cœur des travaux des acteurs mondiaux de référence, dont le LETI et SOFRADIR font partie. La thèse étudie les procédés de réalisation de la passivation de la couche active de CdHgTe. L’approche consiste à caractériser les couches de passivation tant sur les aspects physico-chimique qu’électrique, à développer une nouvelle technique de dépôt, et à valider la démarche sur composant d’étude. Un premier volet a consisté à analyser ces couches minces d’un point de vue optique par ellipsométrie, physico-chimique en étudiant la contamination par spectrométrie de masse d’ions secondaires et la stœchiométrie par spectrométrie de photoélectron X résolue en angle, structural en étudiant la morphologie des couches par microscopie electronique, mécanique en caractérisant la contrainte, et électrique par étude capacité-tension de structures métal-isolant-métal et métal-isolant-semiconducteur. Cette étude a permis d’établir des corrélations entre les différentes caractéristiques des couches, notamment le lien entre l’évolution de la contrainte, les conditions de dépôt, la contamination et la microstructure. Une seconde partie a permis d’étudier une technique alternative de dépôt physique et d’étudier son impact sur les caractéristiques des couches minces. Un bilan des différences entre les techniques alternatives et de référence a été dressé. Un protocole d’amélioration du procédé de dépôt et un ensemble de véhicules de test est proposé à l’issue de cette étude. Ces couches ont ensuite été intégrées dans un lot de validation. Le test des performances électro-optiques sur composants à haute température de fonctionnement montrent des résultats à l’état de l’art. La qualité des couches de passivation obtenues par la technique alternative semble efficace en vue de limiter le bruit basse fréquence des imageurs. Cependant, il reste à montrer la reproductibilité de ces résultats et à améliorer l’intégration des couches minces dans le procédé.

High performance infrared detection uses HgCdTe as semiconductor. Its small gap requires the focal plane arrays to be cooled to cryogenic temperatures, which is expensive and cumbersome. Therefore, increasing the operating temperature of focal plane arrays is currently a major issue at SOFRADIR. Low frequency noise limits the performances of quantum detectors and originates either from the volume of HgCdTe or its interface with the passivation. This study explores the influence of the passivation layers and of the interface between the HgCdTe active layer and passivation on low frequency noise and dark current. The layers are analyzed from an optical point of view by ellipsometry. Physico-chemical properties and contamination studies are carried out by Secondary Ion Mass Spectrometry, and stoichiometry by angular resolved X Photoelectron Spectrometry. Structural analyses of the layer morphology are performed by Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy. Mechanical properties are studied by strain measurements. Eventually, electrical experiments are conducted on Metal-Insulator-Metal and Metal-Insulator-Semiconductor structures. This study allows to first establishing correlations between the different characteristics of the layers, in particular the link between strain evolution, deposition parameters, contamination and microstructure. A second part consists in the evaluation of an alternative physical deposition technique and its impact on the above thin films characteristics. The main differences between alternative and reference techniques are listed. A protocol to improve the deposition process and a set of characterization tests are proposed following this study. Tested detectors including these new layers give state of the art performances. The passivation layers obtained by this alternative technique seem efficient to limit the low frequency noise of infrared detectors. However, the reproducibility of the results has to be checked and the integration should be improved to fill all specifications, particularly in terms of mechanical stress.