Étude et optimisation de détecteurs infrarouge multispectraux à cohérence spatiale dans le semiconducteur CdHgTe

Study and optimisation of multispectral infrared detectors with spatial coherence in CdHgTe semiconductor

• Auteur / Autrice : Sébastien Cremer
• Direction : Jean-Louis Pautrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

Ce travail concerne l'étude et l'optimisation de détecteurs inftarouge multispectraux (λ1 = 3 μm et λ2 = 5 μm) à cohérence spatiale dans le semiconducteur CdHgTe. Les principales méthodes pour caractériser les multicouches, déposées en épitaxie par jets moléculaires (EJM), sont décrites dans ce manuscrit: effet Hall, SIMS, analyse DDX, taux de dislocations. Une analyse originale sur les courbes en transmission optique montre qu'il est possible de déterminer, de façon non destructive, la composition de la couche ayant le plus petit gap et l'épaisseur totale de l'empilement. Après avoir décrit la technologie pour la réalisation de détecteurs multispectraux, nous nous sommes intéressés aux mesures électriques et optiques. La caractérisation électrique des détecteurs, en fonction de la température, montre qu'il apparait, dans certains cas, un excès de bruit en 1/f. Il est attribué à des courants de recombinaison due à une technologie de type MESA. La combinaison des équations de diodes décrites par Shockley permet d'expliquer et de simuler les caractéristiques courant-tension. Les courants de saturation mesurées sur des composants multispectraux sont comparables à ceux obtenus sur des détecteurs monospectraux réalisés sur des couches élaborées en épitaxie en phase liquide (EPL). Nous montrons ensuite qu'il est possible de simuler la réponse spectrale du détecteur de plus courte longueur d'onde pour des températures de fonctionnement comprises entre 77 et 220 K. Cette simulation nous a peimis d'expliquer et d'améliorer le faible rendement quantique de cette diode. Ensuite nous expliquons les origines de l'intermodulation intrapixel et proposons les solutions pour minimiser ces effets parasites. Les bonnes performances des détecteurs multispectraux, obtenus aux cours de ce travail, nous permettent d'envisager leur intégration dans un démonstrateur. Nous évaluons alors les performances d'un détecteur à cohérence spatiale lorsqu'il est associé à un circuit de lecture CMOS.

This work is devoted to the study and the optimisation of muitispectraI inftared detectors (λ1 = 3 μm et λ2 = 5 μm) with spatial coherence in the CdHgTe semiconductor. Main methods to characterize such muitilayers, deposited by molecuIar beam epitaxy, are described in this manuscript: Hall effect, SIMS,DDX analysis, Etch Pits Density. An original analysis of optical transmission curves shows that it is possible to determine, in a non-destructive way, the layer composition, which has the smallest gap and the total thickness of the stack. After the description of the technology for the realisation of muitispectral detectors, we interested to electrical and optical measurements. Electrical characterisation of detectors shows that it appears an excess 1/f noise in sorne cases. It is attributed to recombination currents due to the MESA technology. Combination of diodes equations described by Shockley allows us to explain and to simulate current-voltage characteristics. Saturation currents measured on muitispectraI components are comparable to those obtained on monospectral detectors realised on layers deposited by Liquid Phase Epitaxy. Then, we demonstrate that it is possible to simulate the optical response of the detector with the smallest wavelength for functional temperature between 77 and 220K. This simulation allowed us to explain and to improve the weak quantic yield of this diode. Then, we explain origins of the intrapixel intermodulation and we propose solutions to minimize these parasitic effects. Good performances of such muitispectral detectors, obtained during this work, allow us to forecast their integration in a demonstrator. So, we evaluate performances of a spatial coherent detector when it is associated with a CMOS reading circuit.