Variantes d’oxydes de métaux de transition : relations entre structure, transport et performances bolométriques

by Marc Guillaumont

Doctoral thesis in Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Under the supervision of Guy Feuillet.

Thesis committee President: Hubert Renevier.

Thesis committee members: Philippe Tailhades, Denis Pelenc.

Examiners: Jean-Baptiste Moussy, Fabien Pascal.

  • Alternative Title

    Relation between structure, electrical transport and bolometric performance in various transition metal oxides


  • Abstract

    InfraRed detection, formerly reserved to defense and spatial applications, is currently undergoing deep changes which open new opportunities. Uncooled microbolometer technologies, compatible with classical semiconductors processes, are now able to produce low cost thermal imagers and this will open the door to customer markets in a close future.The technology developed in the CEA/LETI laboratory use the amorphous silicon (noted "a-Si") as the thermistor material. This material has many advantages, in particular, its excellent compatibility with the classical tools used in microelectronic industry. However, better performance in the thermistor material is still needed to address future applications.To handle this challenge, CEA/LETI laboratory is currently developing thermistors made of transition metal oxides thin films. The study presented hereby is based on various transition metal oxides samples deposited in the CEA/LETI Laboratory.Characterization of the structure and the electronic transport for each of these samples allowed us to put in evidence correlations between microscopic structure and conduction mechanisms. Two main figures of merit impacting the overall material performance were investigated : the TCR, Temperature Coefficient of Resistance (which must be maximized) and the 1/f noise (which must be minimized).Finally we conclude this work by highlighting majors outlines governing the performance of a thermistor.


  • Abstract

    La détection infrarouge, autrefois réservée aux applications militaires et spatiales, connait depuis une dizaine d’années une mutation importante et s’ouvre de plus en plus vers des marchés "grand public". Cette démocratisation est principalement liée aux développements rapides que connaissent les technologies utilisant des bolomètres "non refroidis", qui profitent de leurs compatibilités avec les filières de la microélectronique.La technologie utilisée au CEA/LETI repose sur l’utilisation d’un matériau thermomètre à base de silicium amorphe (également noté "a-Si"). Ce dernier comporte de nombreux avantages dont, principalement, son excellente compatibilité avec les outils "classiques" de la microélectronique. Cependant, l’intégration d’un matériau thermomètre plus performant que le a-Si est nécessaire pour répondre aux défis à venir.Conscient de l’importance de cette problématique "matériau" le laboratoire CEA/LETI développe depuis plusieurs années des matériaux à base d’oxydes de métaux de transition déposés en couches minces.Cette étude s’appuie sur l’ensemble des variantes d’oxydes de métaux de transition étudié dans ce cadre. Cette palette de matériaux, qui se sont révélés très différents dans leur structure et, corrélativement, les mesures de transport dans chacun de ces types, nous ont permis de relier structure et mécanismes de conduction spécifiques à chacun. Une attention particulière a été portée aux mesures de TCR, ou « Temperature Coefficient of Resistance », (facteur à maximiser) et de bruit en 1/f (source de bruit à minimiser), les deux paramètres de choix pour le matériau thermistor.Des grandes tendances qui pilotent la performance d’un matériau thermistor pour la bolométrie ont pu être déduites de ces investigations. Les travaux présentés dans cette thèse permettent d’évaluer le potentiel de tel ou tel compétiteur avant d’en entreprendre le développement.



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