Thèse soutenue

Etude et évaluation de dispositifs FD-SOI sur structures suspendues pour des applications dans la bolométrie infrarouge
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Auteur / Autrice : Antoine Albouy
Direction : Francis BalestraJean-Jacques Yon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
Date : Soutenance le 04/03/2022
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
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 : Anne Kaminski-Cachopo
Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Souifi
Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Magnan, Pascal Masson

Résumé

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Ce travail de recherche porte sur les microbolomètres non refroidis détectant dans la fenêtre de l'infrarouge lointain. La fonction de transducteur thermique des microbolomètres est aujourd'hui très majoritairement assuré par des matériaux thermistors, tels que le silicium amorphe ou l'oxyde de vanadium. Ces matériaux nécessitent cependant une ligne dédiée en salle blanche pour être produits, ce qui pose un problème de coût des détecteurs. Pour résoudre cet handicap des solutions de rupture sont nécessaires. Pour cela nous étudions le remplacement des traditionnels matériaux thermistors par un transistor FDSOI, dont la fabrication fait appel à un processus CMOS standard. Ce travail de recherche s'inscrit dans l'optimisation du transistor FDSOI dans un but de transduction thermique. Optimiser un transducteur passe par l'augmentation de son coefficient de température en courant (TCC) et la diminution de son bruit. La structure originale du pixel bolométrique donne la possibilité de polariser la deuxième grille de contrôle du transistor FDSOI: nous souhaitons en premier lieu étudier si la polarisation de la deuxième grille du transistor permet d'améliorer le TCC et le bruit. Pour cela nous modélisons analytiquement le TCC puis nous livrons une analyse physique reposant sur un modèle fondé uniquement sur les distributions de porteurs, de champ électrique et de mobilité issus de simulations TCAD. La compréhension physique du TCC nous permet de montrer qu'un régime d'accumulation d'une face du transistor permet un gain significatif de TCC, gain qui sera démontré expérimentalement. Accumuler une face du transistor permet en outre un gain important sur le bruit basse fréquence, ce qui constitue le deuxième résultat majeur de l'étude. Polariser la seconde grille constitue néanmoins un défi technologique important car l'on veut conserver un fonctionnement dipolaire du transistor pour des raisons d'isolation thermique. Pour répondre à cela nous avons étudié expérimentalement sur capacités MOS des structures de grille de type SiO2/Al2O3/TiN, connues pour décaler la tension de bande (et donc la tension de seuil) des dispositifs de manière positive. Si le décalage est suffisant il est possible d'obtenir une structure où l'électrode de grille contrôlant l'interface à accumuler est connectée à la source, restaurant ainsi une configuration dipolaire du transistor. Les décalages expérimentaux obtenus confirment le potentiel de ces structures, qui devront être par la suite intégré dans un transistor FDSOI. Enfin nous avons étudié les performances du transistor en mode de lecture rolling shutter (lecture par ligne des pixels) et global shutter (lecture synchrone des pixels), en le comparant au matériau thermistor en oxyde de vanadium (VOx). Lire le microbolomètre en global shutter constituerait une innovation de rupture avec une absence de déformation d'image (liée à la lecture synchrone des pixels) et des applications possibles dans le domaine de l'imagerie infrarouge à fréquence image rapide. Nous montrons que les applications global shutter seraient mieux servies par le transistor FDSOI grâce à un rapport performance/auto-échauffement plus favorable pour pour le thermistor.