Report et structuration de la face éclairée

9.3 Caractérisation . . . 146 9.4 Conclusion . . . 147

N

ous avons développé une méthode de passivation par hydrogénation plasma qui permetde limiter spatialement les pixels d’une matrice. Afin de valider expérimentalement cette approche, je présente la mise en place de la réalisation de minimatrices de pixels (6 × 6 pixels).

La réalisation de ce type de dispositifs est une étape clé vers le développement indus- triel. En effet, elle permet d’étudier les capacités des détecteurs pour l’infrarouge en situation réelle tout en s’affranchissant du coût engendré par une hybridation classique.

Ainsi, au delà de la présentation d’une simple technique de caractérisation, l’objectif de ce chapitre est beaucoup plus ambitieux et permettra à l’équipe de disposer d’une méthode rapide et efficace pour l’étude de détecteurs pour l’infrarouge au sein d’une matrice de pixel pour la réalisation de caméra.

9.1

Contexte

L’hybridation d’une matrice de détecteurs sur un circuit de lecture (cf. Paragraphe 8.1.2) représente un coût très important dans la chaîne de développement des caméras pour l’in- frarouge. En effet, cette étape nécessite des connaissances et un équipement spécifiques que l’on retrouve généralement uniquement chez les industriels de l’infrarouge.

Dans ce chapitre, je propose de développer une méthode de caractérisation de matrices de pixels moins lourde à mettre en œuvre. Le principe est d’étudier une minimatrice de pixels (6 × 6 pixels) que l’on va pouvoir connecter à des appareils de mesures via des mon- tages sous pointes ou alors hybrider à un circuit de lecture par pontage. Cette technique

présente des inconvénients majeurs, comme une limite en terme de dimensions de matrice, et des performances électriques dégradées étant donné l’origine des prises de contacts élec- triques. En particulier, elle ne pourra pas être utilisée pour des études de bruit en situation réelle d’utilisation. En revanche, elle présente l’avantage d’être relativement simple à mettre en œuvre : les étapes de fabrication peuvent être réalisées avec des méthodes standards de fabrication en salle blanche. Aussi, elle offre une grande souplesse, puisque nous pouvons facilement changer la géométrie des dispositifs en réalisant d’autres jeux de masques de li- thographie. Enfin, elle nous permet d’avoir une compréhension fine du composant, puisque nous avons accès aux caractéristiques des pixels un par un.

Pour cette première réalisation de matrice, nous avons relaxé les contraintes de fabrica- tion et de caractérisation en choisissant une géométrie de pixels gardés non nanostructurés de 20 µm de côté avec un facteur de remplissage de 67% (cf. Figure 9.2).

9.2

Fabrication de minimatrices

L’ensemble des étapes de fabrication d’une minimatrice est illustré sur la figure 9.1. Toutes ces étapes sont réalisées en lithographie optique avec une résine négative de type AZ5214. La réalisation du masque de lithographie a demandé un travail conséquent. Il a été réalisé avec l’aide de Jihène Zribi, une chercheuse post-doctorante au sein de l’équipe. La fabrication peut être résumée en trois grandes étapes que je vais décrire.

9.2.1

Réalisation des contacts P et hydrogénation

Au cours de la première étape, on réalise les contacts de type P, c’est à dire sur la face su- périeure de l’empilement épitaxial (cf. Figure 9.1 (a) et (b)). Comme nous souhaitons que le contact joue à la fois le rôle, de contact et de miroir tout en étant imperméable à l’hydrogène, nous déposons par évaporation électronique un empilement Ti/Au/Ti/Au 0.7/200/20/200 nm après désoxydation de la surface. La très fine couche de titane de 7 Å joue le rôle de couche d’accroche tandis que celle de 20 nm sert à bloquer la diffusion de l’hydrogène.

La figure 9.2 montre une photo d’une minimatrice prise au microscope optique à l’issue du lift-off. L’épaisseur totale du contact (environ 400 nm) est proche du tiers de l’épaisseur de la résine utilisée lors de la lithographie (épaisseur typique de 1.2 µm). Le lift-off peut alors s’avérer difficile à réaliser, ce qui a pour conséquence une mauvaise résolution apparente des contacts. Cela est dû à un phénomène de dit "de collerette" c’est à dire à un dépôt parasite de métal qui remonte le long des parois de la résine avant le lift-off. Les pixels font 20 µm de côté, la largeur des gardes est de 4 µm et la distance entre chacun de ces motifs est de 3 µm. Cette configuration permet d’obtenir un facteur de remplissage 67%. Cette valeur pourra être largement augmentée en réduisant les dimensions inter-dispositifs ainsi que la largeur de la garde. Les dimensions choisies ici permettent de faciliter la fabrication.

Les étapes d’hydrogénation et de gravure des mesas sont les mêmes que celles de la réalisation des diodes gardées présentées au paragraphe 8.3.3. Nous réalisons d’abord une

9.2 Fabrication de minimatrices 143

Isolation

contact N contact N

a) Couche initiale b) Dépôt des contacts P

c) Hydrogénation d) Gravure des mésas

e) Dépôt et structuration de la couche d'isolation f) Dépôt des contacts déportés

g) Report sur pyrex h) Retrait du subtrat initial

i) Dépôt des contact N j) Gravure des mesas pour découvrir les contact P

Figure 9.1 – Représentation schématique des différentes étapes de fabrication d’une minimatrice de pixels.

deutération dans un plasma ICP 10 W pendant 10 minutes (cf. Figure 9.1 (c)) puis une gravure humide des 200 premiers nanomètres de la couche entre la garde et les pixels, et enfin une gravure d’isolation de la matrice jusqu’à la zone I (cf. Figure 9.1 (d)).

9.2.2

Déport des contacts

Les contacts P sont généralement situés sur la face arrière, celle où l’hybridation est normalement réalisée (cf. Figure 8.2). Dans notre approche nous souhaitons nous affranchir d’un tel dispositif. Afin de pouvoir réaliser les mesures, l’idée est de déporter les contacts sur la face arrière pour ensuite les découvrir sur la face éclairée.

Pour cela, il faut d’abord déposer un isolant sur l’ensemble de l’échantillon et réaliser des ouvertures au niveau des pixels et de la garde (cf. Figure 9.1 (e)). Il a été choisi de déposer 400 nm de SiO2par pulvérisation. Cette épaisseur, assez conséquente, permet d’enterrer in-

50 μm

Figure 9.2 – Photographie prise au microscope optique des contacts P de la minima- trice (pixels et garde).

présente l’avantage d’être réalisée à relativement basse température (typiquement 80°C). La structuration se fait ensuite par gravure sèche dans un plasma CCP fluoré à travers le masque de résine AZ5214 structuré en lithographie optique. La gravure doit être isotrope afin d’éviter des ruptures de pente qui créeraient des discontinuités au niveau des contacts déportés. Les lignes de contacts sont constitués d’un empilement Ti/Au 20/200 nm et struc- turés par lithographie optique et lift-off.

La figure 9.3 montre une photo prise au microscope optique de la matrice à l’issue des étapes de fabrication des contacts déportés. On y voit en particulier le design des reprises de contacts (bande de 5 µm largeur) qui ont été astucieusement dessinées pour éviter tout croisement.

50 μm

Zone I

Zone II

Figure 9.3 – Photographie prise au microscope optique des contacts P de la minima- trice après déport des contacts.

9.2 Fabrication de minimatrices 145

La figure 9.4 (a) illustre la bonne continuité des contacts au niveau de la frontière de la matrice et la figure 9.4 (b) illustre cette continuité au niveau d’un pixel.

Zone I

Zone II

Au

SiO

₂

Au

SiO

₂

Au

(a)

(b)

2 μm 2 μm

Figure 9.4 – (a) Photographie prise au MEB au niveau de l’angle de la minimatrice (zone I sur la figure 9.3). (b) Photographie prise au MEB au niveau d’un pixel (zone II sur la figure 9.3).

9.2.3

Report et structuration de la face éclairée

L’échantillon est ensuite reporté sur un substrat hôte en pyrex (cf. Figure 9.1 (f)). Pour cela une couche uniforme de 200 nm de SiO2 est déposée par pulvérisation pour encapsuler

les contacts. Cette couche permet en particulier d’avoir un support dur sous les contacts P. Les étapes de report sur substrat hôte et retrait de substrat sont les mêmes que celles décrites respectivement aux paragraphes 6.2.4 et 6.2.5 : l’échantillon est collé avec un poly- mère sur le substrat en pyrex et le retrait du substrat et des couches d’arrêt est réalisé en gravure humide.

Le contact N, commun à tous les pixels, est réalisé en forme d’anneau (bande de 100 µm largeur) en dehors de la zone matricielle directement sur la face éclairée (cf. Figure 9.1 (g)). Il est constitué d’un empilement Ti/Au 20/200 nm déposé par évaporation après désoxy- dation de la surface. L’alignement avec les motifs en face arrière se fait par transparence : l’épaisseur de la structure épitaxiale (quelques centaines de nanomètre) n’est pas assez im- portante pour absorber toute la lumière réfléchie sur la face arrière de l’échantillon.

La dernière étape consiste à découvrir les contacts P situés sur la face non éclairée. La gravure est réalisée au travers un masque de résine AZ5214 formée par lithographie optique. La structure semi-conductrice est gravée en solution humide et le SiO2dans un plasma fluoré.

La figure 9.5 (a) montre la photographie d’une minimatrice à l’issue de l’ensemble des étapes de fabrication avec une mise en évidence des différents éléments la constituant. Les dimensions des différents contacts et leurs positions offrent une grande souplesse au niveau

de la caractérisation. Nous pouvons soit réaliser les mesures sous pointes, soit réaliser des pontages entre l’échantillon et une embase adaptée. La figure 9.5 (b) montre une photogra- phie de l’échantillon dans son ensemble : il est constitué de 4 × 4 = 16 matrices et montre le fort tôt de réussite atteint sur ce type de fabrication.

500 μm Contact P (pixel) Contact P (garde) Matrice Contact N (commun) 2 mm

(a)

(b)

Figure 9.5 – (a) Photographie prise au microscope optique d’une minimatrice vue du dessus (face éclairée) à l’issue de l’ensemble des étapes de fabrication. (b) Photogra- phie prise sous une loupe binoculaire de l’ensemble des minimatrices.

9.3

Caractérisation

Fibre optique

Pointe (contact)

Matrice

Figure 9.6 – Représentation schématique du banc de caractérisation des matrices. Un banc de caractérisation est en cours de montage par Jihene Zribi. L’objectif est de réaliser des mesures fines de cross-talk en balayant la surface des pixels avec un faisceau infrarouge dont le diamètre de la tâche focale est de l’ordre de 2 µm. Le principe du montage est illustré sur la figure 9.6. Une fibre optique est montée sur des tables motorisées qui permettent un balayage de la surface à caractériser. Pour ces premières mesures, les contacts sont pris avec des pointes reliées à des appareils de mesure SMU. Nous pourrons ainsi réaliser

9.4 Conclusion 147

des cartographies du photocourant en fonction de la position du faisceau infrarouge sur la surface de la matrice.

9.4

Conclusion

Dans ce chapitre j’ai présenté la mise en place d’une nouvelle technique de caractérisation de matrice de pixels.

Après avoir fabriqué les premiers démonstrateurs, j’ai présenté le banc de caractérisa- tion associé qui est en cours de montage. Nous pourrons ainsi étudier le comportement des détecteurs en situation d’utilisation réelle. Cela nous permettra en particulier de quan- tifier le cross-talk au sein de matrice de pixels ayant subit une passivation par hydrogénation.

Conclusion

Ce travail de thèse se place dans le contexte général des photodétecteurs de quatrième génération qui intègrent dans le même dispositif une structure photodétectrice et un nanoré- sonateur optique. Ce dernier, par ses exceptionnelles propriétés de confinement de la lumière, modifie profondément les règles de fonctionnement de la partie photodétection. En retour l’introduction d’un photodétecteur dans un résonateur optique impose de fortes contraintes tant à sa conception qu’à sa réalisation. L’étude de ces nouveaux types de photodétecteurs impose donc une conception conjointe de la partie photodétectrice et de celle du résonateur. Cette thèse propose une approche expérimentale de l’étude de ce nouveau contexte en étu- diant en détail un dispositif issu d’une technologie bien maîtrisée, le photodétecteur InGaAs. Plus précisément, ce travail de thèse avait pour objectifs la conception, la réalisation et la caractérisation d’un photodétecteur nanostructuré, à base d’une jonction p-i-n en InGaAs pour réaliser un imageur faible flux dans le proche infrarouge. Au travers de cet exemple, il s’agit de réaliser une démonstration expérimentale de l’apport de la nanophotonique à l’amélioration des performances des photodétecteurs pour l’infrarouge. La première partie de ce manuscrit, est dédiée à l’étude des propriétés électroniques de photodiodes InGaAs à double hétérojonction lorsqu’elles sont suffisamment fines pour être intégrées dans un na- norésonateur optique. La deuxième partie est dévolue à la conception d’un nanorésonateur optique adapté à l’utilisation d’une jonction p-i-n pour la photodétection ainsi qu’à la ca- ractérisation électrique et optique du photodétecteur ainsi réalisé. Enfin, la troisième partie aborde le développement de matrices de ces photodétecteurs pour la réalisation de caméras. Nous avons montré que la réduction de l’épaisseur de la zone absorbante apportée par le nanorésonateur optique permet une réduction significative du courant d’obscurité. En effet, avec des épaisseurs aussi fines (quelques centaines de nanomètres) il est possible d’étendre la zone de charge d’espace à toute la couche absorbante et d’encadrer celle-ci par des couches semi-conductrices à grand gap. Il en résulte (cf. Chapitre 2) d’une part une suppression

des courants de diffusion (réduction sur plus de 10 ordres de grandeur) grâce à la double hétérojonction et d’autre part une réduction des courants de génération et de recombinaison dans la zone de charge d’espace (dans la proportion de l’épaisseur de cette couche).

Par ailleurs, l’étude expérimentale présentée au chapitre 3 a montré que la réduction de l’épaisseur de la couche absorbante en InGaAs menait à une augmentation des courants parasites due à un effet tunnel. Nous avons ainsi montré que la minimisation du courant d’obscurité passe par la recherche d’un compromis sur l’épaisseur de la couche absorbante (c’est à dire du semi-conducteur à plus faible gap) entre l’augmentation des courants de génération et de recombinaison aux fortes épaisseurs et celle des courants par effet tun- nel aux plus faibles épaisseurs. Cette étude a permis de mettre en évidence certains points bloquants liés à la technologie (diffusion du zinc, qualité des hétérointerfaces InP/InGaAs, difficultés des procédés de fabrication sur l’InAlAs). Elle a également permis de conclure sur la nécessité de réaliser une étude matériaux pour améliorer les performances des structures épitaxiales, notamment en analysant l’origine des pièges dans la bande interdite du semi- conducteur absorbant.

Le design de nanorésonateurs optiques nécessite une connaissance précise des propriétés optiques des matériaux. Une méthode de mesure précise et fiable de l’indice complexe des semi-conducteurs particulièrement bien adaptée aux milieux anisotropes est présentée au chapitre 4. Elle consiste à mesurer la réflexion de résonateurs de type Fabry-Pérot dont la partie diélectrique, constituée du semi-conducteur à étudier, présente différentes épaisseurs. Ces mesures, introduites dans les simulateurs électromagnétiques développés dans notre équipe, ont permis la conception (cf. Chapitre 5) de résonateurs de mode guidé adaptés à la photodétection à l’aide d’une jonction p-i-n ainsi que l’interprétation détaillée de leurs modes de fonctionnement comme le couplage entre les modes de Fabry-Pérot et ceux du guide.

La complexité de la structure a nécessité la mise en place de méthodes de fabrication dédiées (cf. Chapitre 6). Elles incluent toute une panoplie de procédés de fabrication et ca- ractérisation usuels en salle blanche (lithographies optique et électronique, gravures sèche et humide, dépôts de métaux et de diélectrique, imagerie MEB, caractérisation au spectromètre FTIR). Elles ont également demandé le développement de nouvelles techniques propres aux nanorésonateurs optiques (planarisation, report, masque optique).

Les caractérisations de démonstrateurs (photodétecteurs individuels) ont montré des per- formances en bon accord avec nos attentes en terme d’efficacité quantique externe et des résultats originaux en terme de courant d’obscurité. En effet, grâce à la passivation locale qui a lieu lors de la nanostructurations (c’est à dire le réseau de couplage du résonateur optique), nous avons montré que les courants SRH et les courants tunnels assistés par pièges pouvaient être réduits d’un facteur 1.7. Ces résultats très encourageants sont toujours en cours d’investigation (cf. Chapitre 7).

Conclusion 151

Les bons résultats expérimentaux obtenus dans les parties précédentes sur les photodé- tecteurs individuels nous ont poussé à étudier leur comportement dans un environnement matriciel pour la réalisation de caméras. Une méthode de passivation des dopants P par hydrogénation a d’abord été développée (cf. Chapitre 8) puis utilisée pour la réalisation de matrice de pixels (cf. Chapitre 9).

Ce travail de thèse ouvre la voie vers une nouvelle génération de photodétecteurs pour l’infrarouge à base de nanorésonateurs optiques. Nous avons montré que ces structures sont très prometteuses et permettent une amélioration significative des performances. Elles per- mettent de plus l’incorporation de nouvelles fonctions comme le tri de photons ou la struc- turation de la réponse spectrale.

La réduction par un facteur 20 de l’épaisseur de la zone active donc des phénomènes de génération thermique des photodiodes étudiés dans cette thèse, appliquée aux photodétec- teurs fonctionnant dans le lointain infrarouge à 77 K, correspondrait à une augmentation de la température de fonctionnement de seulement 40 K. On voit par là que cette approche très intéressante pour l’amélioration des performances des photodétecteurs, ne permettra pas d’atteindre le Graal de la photodétection : des photodétecteurs quantiques pour le moyen ou le lointain infrarouge fonctionnant à température ambiante.

L’épaisseur optimale de la zone absorbante démontrée au chapitre 3 pour les jonctions p-i-n, conduit à une épaisseur totale de semi-conducteur trop grande pour obtenir de très fortes exaltations du champ électromagnétique. De plus, la nature bipolaire de la structure conduit à des courants de génération et de recombinaison qui limitent la détectivité de ces photodétecteurs. Pour contourner ces obstacles, j’ai participé au développement de nouvelles structures semi-conductrices ultra fines (< 100 nm) à base de puits quantiques (structure unipolaire) que l’on pourrait insérer dans des résonateurs optiques présentant de très fortes exaltations du champ électromagnétique comme les résonateurs de Helmholtz1_{. Ce travail}

fait aujourd’hui l’objet de la thèse de Fayçal Bai au sein du laboratoire MiNaO.

1

Annexe A : Descriptions des

empilements des plaques épitaxiales

Dans cette annexe sont référencées les descriptions des empilements des plaques épi- taxiales étudiées dans la thèse. Les plaques 1643, 1681, 1717, 1758, 1759, 1761 et 1762 ont été réalisées par EVPOM au sein du LPN par Isabelle Sagnes et Grégoire Beaudoin. La plaque 55899 a été épitaxiée par MBE au III-V Lab François Lelarge.

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 4.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 4.1018 ₉₃

Zone Active InGaAs nid 90

Barrière N InP Si : 5.1018 ₂₀₄

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : 3.1018 ₁₀₀

Description de la plaque 1643.

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 2.5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₄₀

Barrière P InAlAs Zn : 2.1018 ₄₃

Espaceur InAlAs NID 10

Zone Active InGaAs NID 90

Barrière N InAlAs Si : 3.1018 ₁₆₄

Barrière N InP Si : 5.1018 ₄₀

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : > 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : > 3.1018 ₁₀₀

Description des plaques 1681 et 1717.

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 2.5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₃₀

Barrière P InAlAs Zn : 2.1018 ₄₃

Espaceur InAlAs NID 10

Zone Active InGaAs NID 110

Barrière N InAlAs Si : 3.1018 ₁₅₄

Barrière N InP Si : 5.1018 ₄₀

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : > 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : > 3.1018 ₁₀₀

Annexe A : Descriptions des empilements des plaques épitaxiales 157

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 2.5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₂₀

Barrière P InAlAs Zn : 2.1018 ₄₃

Espaceur InAlAs NID 10

Zone Active InGaAs NID 130

Barrière N InAlAs Si : 3.1018 ₁₄₄

Barrière N InP Si : 5.1018 ₄₀

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : > 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : > 3.1018 ₁₀₀

Description de la plaque 1759.

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 2.5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₂₀

Barrière P InAlAs Zn : 2.1018 ₃₃

Espaceur InAlAs NID 20

Zone Active InGaAs NID 150

Barrière N InAlAs Si : 3.1018 ₁₂₄

Barrière N InP Si : 5.1018 ₄₀

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : > 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : > 3.1018 ₁₀₀

Couche Matériau Dopage (cm−3_{) Épaisseur (nm)}

Contact P InGaAs Zn : 5.1018 ₂₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₁₇₀

Couche d’arrêt InGaAs Zn : 2.5.1018 ₁₀

Barrière P InP Zn : 2.1018 ₂₀

Barrière P InAlAs Zn : 2.1018 ₃₃

Espaceur InAlAs NID 20

Zone Active InGaAs NID 200

Barrière N InAlAs Si : 3.1018 ₇₄

Barrière N InP Si : 5.1018 ₄₀

Contact N InGaAs Si : 3.1018 ₁₀

Couche d’arrêt InP Si : > 5.1018 ₁₀₀

Couche d’arrêt InGaAs Si : > 3.1018 ₁₀₀

Description de la plaque 1762.

Dans le document Photodétecteurs InGaAs Nanostructurés pour l'Imagerie Infrarouge (Page 148-180)