Intitulé du sujet Etude de la gravure plasma du CdHgTe pour application aux détecteurs infrarouge de troisième génération Résumé du sujet Le Département d'Optronique du LETI mène des travaux de recherche et de développement sur des imageurs infrarouge base de matrices de photodiodes réalisées sur le semi conducteur composé CdxHg1 xTe La prochaine génération de détecteurs infrarouge intégrera de nouvelles fonctionnalités telles la détection de plusieurs longueurs d'ondes multispectral ou l'utilisation d'effet de gain dans des structures de photodiodes avalanche ou APD pour Avalanche PhotoDiode Ces développements nécessitent une excellente connaissance des paramètres physiques du matériau notamment dopage mobilité et durée de vie des porteurs ainsi qu'une bonne adaptation et un bon contrôle des procédés technologiques de fabrication Parmi ces procédés la gravure assistée par plasma du CdxHg1 xTe apparaît comme une étape incontournable mais encore mal maîtrisée En particulier les mécanismes de gravure et l'influence de l'étape sur les propriétés électriques du matériau en modifiant le dopage ou la durée de vie des porteurs minoritaires ainsi que sur la surface des motifs photolithographiés apparition de rugosité modification de la stoechiométrie restent mal connus Cette étape est donc un point clé qu'il nous faut étudier de façon approfondie pour permettre l'utilisation de la gravure plasma dans les procédés de fabrication des prochaines générations de détecteurs Descriptif du sujet Le Laboratoire Infrarouge LIR du Département d'Optronique du CEA LETI développe depuis ans des technologies de détection infrarouge IR dont les très bonnes performances lui ont permis d'acquérir un statut de laboratoire de référence au niveau mondial Ces technologies sont transférées l'industriel Sofradir n°2 mondial du secteur qui produit des matrices de détection de 2ème génération sous licence exclusive du CEA Ces générations de détecteurs dits monospectraux travaillent dans une bande unique définie par la composition du matériau ...

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Intitulé du sujet : Etude de la gravure plasma du CdHgTe pour application aux détecteurs infrarouge de troisième génération. Résumé du sujet : Le Département d'Optronique du LETI mène des travaux de recherche et de développement sur des imageurs infrarouge à base de matrices de photodiodes réalisées sur le semi- conducteur composé CdxHg1-xTe. La prochaine génération de détecteurs infrarouge intégrera de nouvelles fonctionnalités, telles la détection de plusieurs longueurs d'ondes (multispectral) ou l'utilisation d'effet de gain, dans des structures de photodiodes à avalanche (ou APD, pour Avalanche PhotoDiode). Ces développements nécessitent une excellente connaissance des paramètres physiques du matériau (notamment dopage, mobilité et durée de vie des porteurs), ainsi qu'une bonne adaptation et un bon contrôle des procédés technologiques de fabrication. Parmi ces procédés, la gravure assistée par plasma du CdxHg1-xTe apparaît comme une étape incontournable, mais encore mal maîtrisée. En particulier, les mécanismes de gravure et l'influence de l'étape sur les propriétés électriques du matériau (en modifiant le dopage ou la durée de vie des porteurs minoritaires), ainsi que sur la surface des motifs photolithographiés (apparition de rugosité, modification de la stoechiométrie) restent mal connus. Cette étape est donc un point clé qu'il nous faut étudier de façon approfondie pour permettre l'utilisation de la gravure plasma dans les procédés de fabrication des prochaines générations de détecteurs. Descriptif du sujet : Le Laboratoire Infrarouge (LIR) du Département d'Optronique du CEA/LETI développe depuis 30 ans des technologies de détection infrarouge (IR) dont les très bonnes performances lui ont permis d'acquérir un statut de

  • plasma

  • enrichissement de la surface en cadmium

  • gravure chimique par voie humide

  • gravure par plasma

  • compréhension de la création des défauts électriques

  • parfaite maîtrise des géométries fines

  • composition du mélange gazeux

  • étape incontournable

  • création de rugosité et de pente sur les flancs


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : physique-eea.ujf-grenoble.fr
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Intitulé du sujet :
Etude de la gravure plasma du CdHgTe pour application aux détecteurs infrarouge de
troisième génération.
Résumé du sujet :
Le Département d'Optronique du LETI mène des travaux de recherche et de développement
sur des imageurs infrarouge à base de matrices de photodiodes réalisées sur le semi-
conducteur composé Cd
x
Hg
1-x
Te. La prochaine génération de détecteurs infrarouge intégrera
de nouvelles fonctionnalités, telles la détection de plusieurs longueurs d’ondes (multispectral)
ou l'utilisation d'effet de gain, dans des structures de photodiodes à avalanche (ou APD, pour
Avalanche PhotoDiode). Ces développements nécessitent une excellente connaissance des
paramètres physiques du matériau (notamment dopage, mobilité et durée de vie des porteurs),
ainsi qu’une bonne adaptation et un bon contrôle des procédés technologiques de fabrication.
Parmi ces procédés, la gravure assistée par plasma du Cd
x
Hg
1-x
Te apparaît comme une étape
incontournable, mais encore mal maîtrisée. En particulier, les mécanismes de gravure et
l'influence de l'étape sur les propriétés électriques du matériau (en modifiant le dopage ou la
durée de vie des porteurs minoritaires), ainsi que sur la surface des motifs photolithographiés
(apparition de rugosité, modification de la stoechiométrie) restent mal connus. Cette étape est
donc un point clé qu'il nous faut étudier de façon approfondie pour permettre l’utilisation de
la gravure plasma dans les procédés de fabrication des prochaines générations de détecteurs.
Descriptif du sujet :
Le Laboratoire Infrarouge (LIR) du Département d’Optronique du CEA/LETI développe
depuis 30 ans des technologies de détection infrarouge (IR) dont les très bonnes performances
lui ont permis d'acquérir un statut de laboratoire de référence au niveau mondial. Ces
technologies sont transférées à l’industriel Sofradir (n°2 mondial du secteur) qui produit des
matrices de détection de 2
ème
génération, sous licence exclusive du CEA.
Ces générations de détecteurs, dits monospectraux, travaillent dans une bande unique définie
par la composition du matériau "monocouche" utilisé. Malgré leurs très bonnes performances,
ils ne permettent pas d'obtenir une information sur la température absolue de la scène
observée. L'obtention de cette information est indispensable dans de nombreuses applications
et nécessite la réalisation de détecteurs multispectraux. La fabrication de tels détecteurs, dits
de 3ème génération, est en cours d’étude au LIR, et passera en production chez Sofradir dans
les années qui viennent. Elle est désormais envisageable grâce à la maîtrise de la fabrication
d'empilements de plusieurs matériaux Cd
x
Hg
1-x
Te
à différentes compositions, réalisés par
épitaxie par jets moléculaires (EJM). La technologie de fabrication de tels détecteurs
multispectraux passe aussi par la maîtrise d'étapes de réalisation de structures "mésa" ou
"trous" afin de créer les matrices de pixels. Toute la difficulté est d'arriver à réaliser des
motifs de quelques μm de profondeur et de facteur d'aspect voisin de 1, sans dégrader le
matériau et en contrôlant l'extension latérale de la gravure, afin d'obtenir un taux de
remplissage maximal dans la matrice de détection.
Dans le domaine de la microélectronique, largement basé sur le Silicium et sur les composés
III-V, les gravures plasma sont définitivement adoptées en raison de leurs nombreux
avantages : parfaite maîtrise des géométries fines, grande sélectivité entre les différents
matériaux à graver, perturbation réduite des matériaux, coût. Dans le domaine plus restreint
des matériaux II-VI les gravures par plasma ne sont pas opérationnelles et ne sont donc pas
encore imposées. Les techniques généralement utilisées pour ces matériaux sont la gravure
chimique par voie humide et l'usinage ionique. Malheureusement la première est trop isotrope
pour pouvoir définir des motifs fins (quelques μm) et de facteur de forme élevé, alors que la
deuxième implique un bombardement violent du matériau, provoquant une inversion de
dopage et une dégradation des performances des détecteurs. La gravure par plasma offre une
excellente alternative à ces méthodes, avec les avantages potentiels d'une meilleure
anisotropie, d'une plus grande finesse des motifs gravés, et d'une faible dégradation du
matériau actif.
La gravure plasma du CdHgTe est aujourd'hui étudiée dans quelques laboratoires leaders dans
le domaine des détecteurs II-VI, notamment aux Etats-Unis. Notre laboratoire a lancé en 2002
des études approfondies sur le sujet, avec une thèse soutenue en 2005 par E. Laffosse, et la
thèse en cours de F. Boulard (soutenance prévue en octobre 2009), menée en collaboration
avec l'Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN du CNRS) à Nantes.
Elles sont basées sur des
machine de gravure de type ICP (Inductively Coupled Plasma), et des mélanges de gaz
réactifs à base de CH
4
et H
2
. Ces travaux ont visé à obtenir des caractérisations physico-
chimiques poussées du plasma et des surfaces en fonction des paramètres systèmes
(composition du mélange gazeux, pression, puissance, température et polarisation de
l’échantillon…), et à les corréler aux résultats de la gravure (vitesse de gravure, rugosité),
pour dégager des informations sur les mécanismes de gravure.
Durant ces études, le rôle crucial du bombardement ionique (énergie et flux ionique) a été mis
en évidence. Il a également été montré l'existence d'un mécanisme chimique pour la gravure
du tellure, mettant en jeu les atomes d'hydrogène créés dans le plasma. Il a aussi été mis en
évidence que l'élimination du cadmium est le point limitant de la gravure, qui conduit à un
enrichissement de la surface en cadmium. Un point acquis durant la thèse en cours est la mise
en évidence que cet élément n'est pas éliminé uniquement par un processus physique
(pulvérisation simple). Une étude du plasma par spectrométrie de masse (menée à l'IMN) a
permis de relier la vitesse de gravure au flux de radicaux et d'ions CH
3
, sans pour l'instant
révéler la présence de Cd(CH
3
)
2
comme produit de gravure, comme proposé par certains
auteurs. Enfin, l'étude des modifications de dopage et de mobilité des porteurs a montré que le
bombardement ionique était un facteur de 1er ordre pour la création de ce type de
détérioration, mais que des caractérisations complémentaires devront être employées pour
aboutir à une analyse plus fine et complète des défauts créés dans le CdHgTe.
C’est dans ce contexte que se situe ce sujet de thèse. L’objectif majeur du thésard sera
d’étudier l’influence du procédé de gravure plasma sur les propriétés électriques du CdHgTe.
Un deuxième pan important de sa thèse sera d'étudier l'application de procédés plasmas à des
structures de dispositifs réels. L’objectif est d’aboutir à l’utilisation de la gravure plasma
dans
les procédés de fabrication des détecteurs IR de 3
ème
génération.
Pour la partie concernant l’étude des propriétés électroniques du matériau, le travail du
thésard devra particulièrement s'attacher à approfondir notre compréhension de la création des
défauts électriques (conversion de dopage, modification de la mobilité, création de centres
recombinant) dans le CdHgTe, en fonction des paramètres du procédé de gravure. Les
paramètres clés identifiés sont notamment la composition du mélange gazeux (en se focalisant
particulièrement sur l'hydrogène, sa diffusion et son rôle potentiel de dopant), l'énergie et la
dose des ions bombardant le substrat, ainsi que la température du procédé. Pour cela, le
thésard devra utiliser plusieurs moyens de caractérisations disponibles dans notre laboratoire :
-
Mesure de résistivité, dopage et mobilité par effet Hall (avec
T° et champ magnétique
variable).
-
Mesure de durée de vie des porteurs minoritaires, par la mesure de décroissance de la
photoconductivité sur un banc fonctionnant entre 4K et 300K
-
Observation et analyse de jonctions parasites par MEB et EBIC (à 77K)
Pour la partie à visée plus applicative, le travail du thésard sera d'étudier l’impact des
procédés plasmas sur des motifs photolithographiés, en s'intéressant aux phénomènes qui
découlent de la formation des motifs : création de flancs de gravure subissant un
bombardement et un dépôt différent du fond, création de rugosité et de pente sur les flancs et
le fond de gravure, effet de micro et macro-loading. Pour cela, le thésard utilisera la machine
de gravure ICP et les moyens de la salle blanche du laboratoire pour la fabrication des
échantillons de test (photolithographie et dépôt de couche minces, avec le soutien des
techniciens du laboratoire).
Cette étude, complémentaire des études paramétriques sur matériau nu, s'appuiera sur le
même type de caractérisations du matériau (avec la possibilité d'accéder aux moyens et aux
compétences des chercheurs de la plate-forme de caractérisation du LETI):
-
Etude de la composition de surface par XPS
-
Etude locale de la composition des flancs par analyse Auger
-
Analyse morphologique par MEB et AFM, et analyse fine de défauts par coupe FIB et
analyse sur un équipement de STEM récemment installé dans le MEB du laboratoire.
L'ensemble de ce travail bénéficiera par ailleurs de la collaboration continue avec l'IMN du
CNRS à Nantes, dont l'expertise et les moyens d'étude du plasma, des procédés et des surfaces
(analyse de la composition du plasma par spectrométrie de masse et spectroscopie optique
d’émission, des paramètres électriques du plasma par Sonde de Langmuir, de la surface par
XPS et Ellipsométrie in-situ) pourront être utilisés ponctuellement par le thésard.
Références :
[1] J. Baylet, O. Gravrand, E. Laffosse, C. Vergnaud, S. Ballerand, B. Aventurier, J.C. Deplanche, P. Ballet, P.
Castelein, J.P. Chamonal, A. Millon and G. Destefanis, "Study of the pixel pitch reduction for HgCdTe infrared
dual band detectors",
J. Electron. Mater.
33, 690 (2004).
[2] E. Laffosse, J. Baylet, J.P. Chamonal, G. Destefanis, G. Cartry, and C. Cardinaud, "Inductively Coupled
Plasma Etching of HgCdTe using a CH4-Based
Mixture "
J. Electron. Mater
. 34, 6, 740-5, (2005).
[3] E. Laffosse, "Etude de la gravure assistée par plasma du semi-conducteur II-VI HgCdTe pour application à la
fabircation de déteceturs infrarouge multispecttraux", Thèse de doctorat de l'INSA de Toulouse, spécialité
Matériaux pour l'Electronique et Ingénierie des plasmas, soutenue le 2 juin 2005
[4] F. Boulard, J. Baylet, C. Cardinaud, "Effect of Ar and N
2
addition on CH
4
-H
2
based chemistry Inductively
Coupled Plasma Etching of HgCdTe " to be published in
Journal of Vacuum
Science and Technology A
[5] F. Boulard, J. Baylet, C. Cardinaud, "Cadmium Composition Influence on CH
4
-H
2
Based Inductively
Coupled Plasma Etching of Hg
1-x
Cd
x
Te", to be published in
J. Electron. Mater.
Contacts:
Jacques Baylet: CEA-Leti/Dopt: 04 38 78 92 85
jacques.baylet@cea.fr
Christophe Cardinaud IMN: 02 40 37 39 61
christophe.cardinaud@cnrs-imn.fr
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