Procédé d'intégration hétérogène de CdHgTe pour le développement de détecteurs infrarouges refroidis
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
HgCdTe infrared detectors are currently fabricated with the CdZnTe growth substrate as the mechanical support for the whole process. The brittleness, the cost and the the avaibility on small surfaces make CdZnTe one of the main limiting factors of the production yields.This thesis work focuses on the fabrication of HgCdTe detectors after bonding of the HgCdTe film on a more robust substrate. From the bibliography study, polymer bonding appeared to be the most interesting bonding process for CdHgTe. As the elastic limit of HgCdTe is very low (around 15-20MPa at 300K), studying the thermomecanical stresses generated in a HgCdTe/bonding substrate structure is a key step. COMSOL Multiphysics simulations showed that, amongst the considered substrates, germanium stood out as the best candidate. X-Ray Diffraction measurements, performed with the sin²ψ method developped during this thesis for HgCdTe, showed that bonding generates stresses of around 20MPa on Si and 7MPa on Ge, consistent with simulations results. 80K and 120K measurements show no measurable degradation on neither Si or Ge. XRD performed at 120K at the ENSAM of Metz show stresses in HgCdTe on Si of about 60MPa, which indicates that the elastic limit of the material is equal or higher at this temperature. Stresses are thus only a problem for the process which involves temperatures higher than 300K.Functional diodes have been obtained on HgCdTe films bonded onto Si and Ge, demonstrating the feasability of a fabrication process on a bonded HgCdTe. Current-Voltage measurements performed before hybridization show similar levels of current, and a diffrence of two orders of magnitude is observed after hybridization. More tunnel current is observed on Si under high bias. However, polymer degradation observed during technological annealings have been observed. This work thus shows that processing onto a bonded HgCdTe is viable but another bonding method is necessary in order to have access to the whole range of HgCdTe processes.
Abstract FR:
La fabrication de détecteurs infrarouges à base de CdHgTe se fait aujourd’hui majoritairement en utilisant le substrat d’épitaxie en CdZnTe comme support mécanique tout le long du processus de fabrication. La fragilité du CdZnTe ainsi que son coût et sa disponibilité sur de faibles surfaces limitent alors fortement les rendements de production.Ce travail de thèse porte donc la fabrication de composants en CdHgTe reporté, après croissance, sur un substrat de report plus robuste que le CdZnTe. L’état de l’art effectué lors de cette thèse a permis de montrer que le collage polymère est une voie intéressante pour le report de CdHgTe. La limite élastique du CdHgTe étant faible (de l’ordre de 15-20MPa à 300K), l’étude des contraintes thermomécaniques dans un empilement CdHgTe/substrat de report est une étape essentielle. Les simulations thermomécaniques sur COMSOL Multiphysics ont permis de montrer que, parmi les substrats envisagés, le germanium est le plus adapté au report de CdHgTe. Les caractérisations par Diffraction à Rayons X, effectuées selon la méthode des sin²ψ développée pour le CdHgTe durant ces travaux, montrent des contraintes générées par le collage au sein du CdHgTe d’environ 20MPa sur Si et 7MPa sur Ge, valeurs cohérentes avec la simulation. Les caractérisations réalisées à 80K et à 120K montrent le matériau ne se dégrade pas de manière mesurable ni Si ni sur Ge. Les mesures DRX réalisées à 120K à l’ENSAM de Metz montrent des contraintes dans un CdHgTe reporté sur Si de l’ordre de 60MPa, ce qui donne donc une limite basse de la limite élastique du CdHgTe à basse température. Le problème des contraintes thermomécaniques se pose ainsi principalement pour des températures supérieures à 300K.Des diodes fonctionnelles ont été obtenues sur CdHgTe reporté sur Si et sur Ge, validant la faisabilité d’un process sur couche reportée. Les mesures courant-tension effectuées avant hybridation montrent des niveaux de courant sont similaires sur les deux variantes expérimentées avant hybridation, mais une différence de deux ordres de grandeurs entre les deux variantes est observée après hybridation. Davantage de courant tunnel est observé sur Si à fortes polarisations. Néanmoins, des problèmes de mauvaise tenue du polymère aux températures de recuit technologique ont été observés. Cette étude conclut ainsi sur le fait que la réalisation de dispositifs sur CdHgTe reporté est possible mais qu’une autre méthode de collage est nécessaire afin d’avoir accès à toutes les filières de détecteurs CdHgTe.