Fabrication et caractérisation électrique et thermique de microbolomètres non refroidis suspendus à base de couches minces La0. 7Sr0. 3MnO3 sur silicium

Fabrication and electro-thermal characterization of uncooled suspended microbolometers based on La0. 7Sr0. 3MnO3 thin films on buffered silicon substrates

• Auteur / Autrice : Shuang Liu
• Direction : Laurence Méchin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : électronique, microélectronique, nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lecoeur, Riad Haïdar, Nicolas Bergeal, François Simoens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Lecoeur, Riad Haïdar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Manganite

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Couches minces

Systèmes microélectromécaniques

Résumé

Ce travail propose une nouvelle voie de conception de micro-bolomètres non-refroidis, qui exploite la variation de résistance électrique avec la température au voisinage de 300 K de couches minces La0,7Sr0,3MnO3 déposées sur substrat de silicium. Un procédé de fabrication utilisant le micro-usinage du silicium a été optimisé afin de réduire la conductance thermique liant la couche mince au substrat. Nous avons vérifié que les propriétés électriques (résistivité électrique et bruit à basse fréquence) du La0,7Sr0,3MnO3 ne sont pas dégradées sur des ponts suspendus de largeur 2 ou 4 µm et de longueur 50 à 200 µm. La conductance thermique mesurée est bien décrite par un modèle analytique simple. L'isolation thermique du détecteur est réduite de 5 ordres de grandeur, augmentant d'autant la sensibilité des bolomètres. La détectivité spécifique dans la bande passante estimée à partir des mesures est égale à 1,1×1010 cm. Hz-1/2. W-1 à 1,5 µm et à 300 K, ce qui très proche de la limite théorique pour des détecteurs thermiques à 300 K (1,8×1010 cm. Hz-1/2. W-1). Nos détecteurs de rayonnement, dont les performances sont limités par le bruit de phonons, présentent des constantes de temps de réponse faible (<1 ms). Ils pourraient trouver préférentiellement des applications dans lesquelles un petit nombre de détecteurs et où une grande détectivité spécifique (ou une petite constante de temps de réponse) sont nécessaires. C'est par exemple le cas des applications pour la spectrométrie infrarouge ou des détecteurs de gaz de type non dispersif. Associés à des antennes, nos bolomètres pourraient également trouver des applications en détection THz.

This work opens the way to a new uncooled microbolometers based on the variation of the electrical resistance with temperature around 300 K in La0. 7Sr0. 3MnO3 thin films on buffered silicon substrates. Thermal conductance has been reduced thanks to silicon micromachining techniques. We verified that the electrical properties (electrical resistivity and low frequency noise) of La0. 7Sr0. 3MnO3 are not degraded on the suspended micro-bridges (width of 2 or 4 µm and length of 50 to 200 µm). The measured thermal conductance is well described by a simple analytical model. The thermal insulation of the detectors is reduced by 5 orders of magnitude, thus increasing the microbolometers sensitivity. The estimated specific detectivity in the bandwidth is equal to 1. 1 × 1010 cm. Hz-1/2. W-1 at 1. 5 µm and 300 K, which is very close to the theoretical limit for uncooled thermal detectors (1. 8 × 1010 cm. Hz-1/2. W-1). Our phonon noise-limited radiation detectors exhibit a low effective time constant (<1 ms). They could find applications where a small number of detectors with a high specific detectivity (or a small time constant) are required. This is in the case of infrared spectrometry or non-dispersive infrared gas detectors for examples. Coupled to antennas, our bolometers could also be usefull in THz detection.