Etude de diodes SOI verticales pour la détection LWIR

Study of vertical SOI diodes for LWIR detection

• Auteur / Autrice : Romain Kubica
• Direction : Francis Balestra
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/01/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Balestra, David Duché, Pascal Masson, Vincent Goiffon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Masson, Vincent Goiffon

Mots clés

Mots clés libres

Microbolomètre

Jonction PN

Diode en silicium

Imagerie LWIR

Tcc

Bruit basse fréquence

Microbolometer

PN junction

Silicon diodes

LWIR imaging

Tcc

1/f noise

Résumé

Le sujet de la thèse concerne les imageurs infrarouge non refroidis. Plus particulièrement celui-ci repose sur l’étude des microbolomètres, des détecteurs thermiques fonctionnant dans la bande LWIR (Long Wavelength InfraRed) entre 8 μm et 14 μm. Au cours des dernières années, le marché des microbolomètres s’est accru dans différents secteurs industriels (automobile, spatial, surveillance) induisant ainsi des besoins pour une production à grande échelle et à faible coût. Contrairement aux filières classiques de microbolomètres, qui utilisent des thermistances à base d’oxydes métalliques tels que des oxydes de vanadium (VOx) ou des oxydes de titane (TiOx) pour la transduction thermique, le sujet de la thèse propose d’évaluer une filière originale à base de diodes PN SOI (Silicon On Insulator) verticales. L’utilisation des diodes PN en silicium présente deux intérêts majeurs. Tout d’abord, celles-ci possèdent une forte sensibilité du courant avec la température. Le coefficient de variation du courant avec la température (TCC) peut théoriquement varier entre 5 %/K et 10 %/K pour des courants compris entre 1 nA et 1 μA. Ces valeurs sont supérieures à celles des thermistances présentes sur le marché actuel (TCR=1-4 %/K). De plus, les diodes PN en silicium sont compatibles avec les filières CMOS (Complementary metaloxide-semiconductor). Cela laisse envisager une réalisation de microbolomètres au sein de fonderies 100 % CMOS, ce qui réduirait les coûts de fabrication. Cependant les diodes présentent généralement un niveau élevé de bruit basse fréquence ce qui pose question les performances admissibles avec ce type de composant. Au cours de la thèse nous étudierons les performances d’un thermomètre à diodes PN en silicium. Ces études se feront au travers de deux axes : la réalisation de modèles analytiques sur les figures de mérite (sensibilité thermique et bruit) et la caractérisation de différents lots technologiques de diodes. Notre but sera entre d’optimiser les performances afin de trouver les conditions permettant la réalisation d’une matrice microbolométrique au format QVGA (320 x 240 pixels) avec un NETD inférieur à 100 mK pour un pas pixel inférieur à 25 μm.

The purpose of the PhD thesis concerns uncooled infrared imagers. More specifically, it is based on the study of microbolometers, thermal detectors that operate in the LWIR (Long Wavelength InfraRed) band between 8 μm and 14 μm. In recent years, the market for microbolometers has grown in various industrial sectors (automotive, space, surveillance), creating a need for large-scale, low-cost production. Unlike conventional microbolometer technologies, which use thermistors based on metal oxides such as vanadium oxides (VOx) or titanium oxides (TiOx) for thermal transduction, this project proposes to evaluate an original technology based on vertical SOI (Silicon On Insulator) PN diodes. The use of silicon PN diodes offers two major advantages. Firstly, they are highly sensitive to temperature. The Temperature Coefficient of Current (TCC) can theoretically reach 5 %/K to 10 %/K for currents between 1 nA and 1 μA. These values are higher than those of thermistors on the market at the present time (TCR=1-4 %/K). Secondly, silicon PN diodes are compatible with CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) processes. This makes it possible to produce microbolometers using CMOS foundries, which would reduce manufacturing costs. However, diodes generally have a high level of low frequency noise, which can degrade the performance obtained with these components. During this thesis, we will study the performance of a silicon PN diode thermometer. This will be done in two axes : the realization of analytical models on figures of merit (thermal sensitivity and noise) and the characterization of different batches of diode technologies. Our final aim will be to optimize performance in order to find the conditions that will enable us to produce a microbolometer matrix in QVGA format (320 x 240 pixels) with a NETD of less than 100 mK and a pixel pitch of less than 25 μm.