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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
CE24 - Micro et nanotechnologies pour le traitement de l’information et la communication

Photodétecteur et matrice de détecteurs à superréseaux "Ga-free" fonctionnant à haute température dans la totalité de la gamme spectrale du moyen infrarouge – HOT-MWIR

Photodétecteur et matrice de détecteurs à superréseaux «Ga-free« fonctionnant à haute température dans la totalité de la gamme spectrale du moyen infrarouge

Une augmentation de la température de fonctionnement des matrices de détecteurs infrarouges (IR) refroidis haute performance conduit à une réduction de la taille, du poids et de la consommation énergétique de la machine à froid. Actuellement, des technologies fonctionnent à 150K mais pour des longueurs d'ondes en deçà de 4,2µm. L'objectif est d'étendre la longueur d'onde de coupure jusqu'à 5µm pour une température de 150K, sans dégradation de performance.

Fabrication technologique et caractérisation électro-optique de matrices de détecteurs à superréseaux «Ga-free«

L'objectif du projet HOT-MWIR est de fabriquer, d'étudier et d'évaluer la premiere matrice de photodétecteur à superréseaux de type II (T2SL) InAs / InAsSb sans Gallium («Ga-free«) au format 320x256, adressant la totalité du domaine MWIR avec un fonctionnement en température T ³150K. Pour atteindre cet objectif ambitieux, de nombreuses recherches fondamentales et appliquées doivent être menées, de la croissance MBE des structures InAs / InAsSb à superréseaux SL, en passant par la fabrication technologique des composants jusqu'à l'hybridation sur ROIC, ainsi qu'aux caractérisations radiométriques de la matrice de photodétecteurs.

Le plan de travail est organisé en 4 phases comprenant 5 tâches techniques et 1 tâche de gestion. Ces tâches sont:
- Tâche 1: Conception et modélisation de la structure T2SL «Ga-free« et du détecteur XBn
- Tâche 2: Croissance MBE, caractérisation des matériaux et de la structure
- Tâche 3: Détecteur T2SL XBn mono-pixel: process et caractérisation
- Tâche 4: Développement de process pour matrice T2SL
- Tâche 5: Matrice T2SL: process, caractérisation et évaluation
- Tâche 6: Coordination / Gestion

Pour une durée de projet de 48 mois, HOT-MWIR est organisé temporellement comme suit:
- Phase 1: Évaluation des performances du détecteur T2SL XBn «Ga-free« pour le HOT (0-12 mois)
- Phase 2: fabrication du détecteur mono-pixel (12-24 mois)
- Phase 3: Développement d'un process technologique pour matrice de détecteur (24-36 mois)
- Phase 4: Fabrication et caractérisation des matrices (36-48 mois)

à T0+24 mois
- Design de la structure XBn
- Contrôle de la croissance des structures T2SL par EJM
- Fabrication de pixel photodétecteur T2SL XBn Ga-free
- Solution chimique pour retrait de substrat en condition REACH

- Amélioration du design de la structure
- passivation efficace pour une gravure profonde des pixels
- fabrication de la matrice de détecteurs
- caractérisation radiométrique de la matrice

U. Zavala-Moran, M. Bouschet, J.P. Perez,
R. Alchaar, S. Bernhardt, I. Ribet-Mohamed, F. De Anda-
Salazar, P. Christol, Structural, Optical and Electrical
Characterizations of Midwave Infrared Ga-Free Type-II
InAs/InAsSb Superlattice Barrier Photodetector,
Photonics 7, 76 (2020).

F. Carosella, A. Philippe, G. Krizman, L.A. De
Vaulchier, J.B. Rodriguez, J.P. Perez, P. Christol, G. Bastard,
Y. Guldner and R. Ferreira, InAs/InAsSb T2SL band parameters
determination via magnetoabsorption and k.p modeling,
SPIE Photonics West 2020, San Francisco February 2020
Proceedings of the SPIE «Physics and Simulation of
Optoelectronic Devices« XXVIII 11274, 1127408 (2020)

Photodétecteur et matrice de détecteur à superréseaux "Ga-free" fonctionnant à haute température dans la totalité de la gamme spectrale du moyen infrarouge

Une augmentation de la température de fonctionnement des matrices de détecteurs infrarouges (IR-FPA) refroidis haute performance conduirait à une réduction de la taille, du poids et de la consommation énergétique de la machine à froid ce qui permettrait d'accéder à de nouvelles applications où les besoins des caméras IR en termes de portabilité, de compacité et d'autonomie énergétique sont essentielles.
Actuellement, les technologies de photodétecteurs fonctionnant à haute température (T = 150K), en particulier le détecteur InAsSb, ne couvrent qu'une partie du domaine spectral du moyen infrarouge (MWIR), pour des longueurs d'ondes en deçà de 4,2µm. Etendre la longueur d'onde de coupure à la totalité du domaine MWIR, jusqu'à 5µm pour une température de fonctionnement au moins égale à 150K, sans dégradation de performance, présenterait des avantages radiométriques indéniables.
En associant les avantages des superréseaux (SR) de matériaux semiconducteurs, en particulier en ce qui concerne la flexibilité en longueur d'onde de coupure de ces nanostructures périodiques, avec ceux des nouvelles architectures de structures à barrière, appelées XBn, le projet HOT-MWIR a pour objectif de fabriquer et d'étudier la première matrice de photodétecteur "Ga-free" (sans Gallium) à base de superréseau de type II InAs/InAsSb (T2SL). Le photodétecteur à SR "Ga-free" sur substrat GaSb sera conçu dans une configuration XBn avec une longueur d'onde de coupure à 5 µm, afin d'adresser la totalité de la fenêtre de transparence MWIR. Les matrices de détecteurs à SR "Ga-free" au format 320 x 256 pixels (format TV/4) au pas pixel de 30 µm, seront fabriquées, hybridées puis évaluées pour une température de fonctionnement supérieure ou égale à 150K.
Pour atteindre cet objectif ambitieux, le projet HOT-MWIR implique cinq laboratoires français présentant des compétences scientifiques et techniques très complémentaires : trois laboratoires universitaires (IES, LPA, ILV), un partenaire industriel (THALES - III-V Lab) et une structure EPIC (ONERA). Ces compétences pluridisciplinaires sont nécessaires pour de mener des études fondamentales et appliquées, allant de la croissance des structures à SR InAs/InAsSb par épitaxie par jets moléculaires (EJM) jusqu'à l'hybridation des matrices de détecteurs sur circuit de lecture et à leurs caractérisations radiométriques, en passant par des études détaillées sur les propriétés optiques des nanostructures, la physique des dispositifs et la chimie des surfaces et interfaces telles que la modélisation des SR par un modèle k.p. multibandes, des caractérisations fines d'échantillons superréseaux par magnéto-spectroscopie, la gravure et la passivation des mono-éléments (pixel) et des matrices de détecteurs, ainsi qu'une étude spécifique du retrait de substrat GaSb en utilisant des substances chimiques non polluantes pour l'environnement et non dangereuse pour la santé (conditions REACH).
Compte tenu du nombre important de défis à relever dans le cadre de ce projet, 48 mois sont prévus pour réaliser et évaluer la première matrice de photodétecteur à SR "Ga-free" pour le MWIR.

Coordinateur du projet

Monsieur Philippe CHRISTOL (Institut d'Electronique et des Systèmes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPA Laboratoire Pierre Aigrain
ILV Institut Lavoisier de Versailles
ONERA CENTRE PALAISEAU
III-V LAB
IES Institut d'Electronique et des Systèmes

Aide de l'ANR 589 764 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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