Détecteurs thermiques non refroidis en YBaCuO semi-conducteur pour l'imagerie infrarouge et térahertz

Semiconducting YBaCuO uncooled thermal detectors for infrared and terahertz imaging

• Auteur / Autrice : Xavier Galiano
• Direction : Annick Dégardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 13/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Djimédo Kondo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maryline Guilloux-Viry, Alain Kreisler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Coutaz, Jean Léotin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge proche

Couches minces

Semiconducteurs

Mots clés libres

A-Ybco

Filmes minces

Détecteurs thermiques

Infrarouge

Semi-Conducteur

Indices optiques

Thin films

Thermal detectors

Infrared

Résumé

Dans ce mémoire, nous présentons le développement de détecteurs thermiques non refroidis de type pyroélectrique à base de films minces amorphes d'YBaCuO semi-conducteur pour des applications en imagerie infrarouge et térahertz. En première partie, nous étudions la composition et les propriétés optiques des films d'YBaCuO semi-conducteur. Nous avons montré par XPS l'existence d'un mélange entre plusieurs phases et nous avons déterminé la composition de la couche de contamination en surface d'YBaCuO, ainsi que le travail de sortie d'YBaCuO par UPS. Nous avons extrait l'indice de réfraction et le coefficient d'absorption sur une gamme de longueur d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge proche ; nous avons aussi déterminé les valeurs des gaps optiques que nous avons corrélés à la structure granulaire des films d'YBaCuO. En seconde partie, nous étudions le comportement en transport électrique et la réponse optique de détecteurs pyroélectriques fabriqués à partir de ces films d'YBaCuO semi-conducteur. Le contact électrique entre YBaCuO et les plots métalliques peut être ohmique ou redresseur. Des mesures de résistivité en fonction de la température ont montré que la conduction électrique s'opère préférentiellement par sauts à distance variable des porteurs autour du niveau de Fermi. Les réponses à température ambiante des détecteurs dans l'infrarouge proche ont révélé - en fonction de la fréquence de modulation - un comportement de type passe-bande attribué à l'effet pyroélectrique, qui a pu être interprété par un modèle analytique. Les performances en termes de détectivité (1E9 cm.Hz^0,5/W) et de constante de temps (quelques microsecondes) se situent à l'état de l'art.

In this manuscript, we are presenting the development of uncooled thermal sensors of the pyroelectric type, based on thin films of amorphous YBaCuO semiconductor, for applications in terahertz and infrared imaging. In a first part, we discuss the composition and optical properties of the YBaCuO semiconducting films. By X-ray photoelectron spectroscopy, we show the existence of a mixture of several phases and deduce the composition of the YBaCuO surface contamination layer; by ultraviolet photoelectron spectroscopy, we determine the YBaCuO work function. By optical spectroscopy, we then extract the refractive index and the absorption coefficient over a range of wavelengths spanning from ultraviolet to the near infrared. We also determine the values of optical gaps that we have correlated with the granular structure of the YBaCuO films at the micro and nanoscales. In a second part, we study the electrical transport behavior and optical response of pyroelectric detectors made from these amorphous YBaCuO thin films. The electrical contact between YBaCuO and the metal connections can be ohmic as well as rectifying. Resistivity measurements as a function of temperature show that the electric conduction is preferentially dominated by variable distance hopping of the carriers around the Fermi level. The response of the sensors in the near infrared - as a function of the modulation frequency of the source - reveal at room temperature a band-pass type behavior attributed to the pyroelectric effect, which could be interpreted by an analytical model. The device performance in terms of detectivity (1E9 cm.Hz^0.5/W) and time constant (a few microseconds) are at the state of the art.