Innovative radiation detectors (IR-THz) based on functional oxides

Détecteurs de rayonnement (IR->THz) innovants à base d'oxydes fonctionnels

Vanuza Marques Do Nascimento (1)

1 Equipe Electronique - Laboratoire GREYC - UMR6072

This work evaluates the potential of LSMO thin films deposited on a silicon substrate as a radiation detector at room temperature, by exploiting the variation of its electrical resistance. The fabrication of suspended structures and electro-thermal (R(T), thermal conductance, response time) and optical characterizations are presented as well as and noise performance. Optical measurements with different radiation sources (635 nm, 3.39 μm, black body, and synchrotron beam) were performed. The obtained performances are very interesting because the noise equivalent power (NEP) can reach pW·Hz-1/2 to 300 K. The optical characterizations realized show that these detectors are at the state-of-the-art level. The bolometer is sensitive in these different ranges while it was not coupled to an antenna. An electro-thermal model and finite element simulations are presented, they make possible the understanding of the behaviour of the bolometers as a function of the chosen operating point (polarization current, temperature). The thermal time constants (around 1 ms) and the electrical consumptions (a few tens of μW) are low. These performances are very promising compared to the state-of-the-art of uncooled detectors. The applications envisaged are those requiring a small number of sensitive detectors, in the infrared range up to THz.

Ce travail évalue le potentiel des couches minces LSMO déposées sur substrat silicium comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique. La fabrication de structures suspendues et les caractérisations électro-thermiques (R(T), conductance thermique, temps de réponse), optiques et les performances en bruit sont présentés. Des mesures optiques avec différentes sources de rayonnement (635 nm, 3,39 µm, corps noir, et faisceau synchrotron) ont été réalisées. Les performances obtenues sont très intéressantes car les puissances équivalentes de bruit (NEP) peuvent atteindre quelques pW·Hz-1/2 à 300 K. Les caractérisations optiques réalisées montrent que ces détecteurs sont au niveau de l'état de l'art. Le bolomètre est sensible dans ces différentes gammes alors que celui-ci n'était pas couplé à une antenne. Un modéle électro-thermique et des simulations éléments finis sont présentés, ils permettent de comprendre le comportement des bolomètres en fonction du point de fonctionnement choisi (courant de polarisation, température). Les constantes de temps thermique (de l’ordre de 1 ms) et les consommations électriques (quelques dizaines de μW) sont faibles. Ces performances sont très prometteuses comparativement à l’état de l’art des détecteurs non refroidis. Les applications envisagées sont celles nécessitant un faible nombre de détecteurs performants, dans la gamme infrarouge jusqu’au THz.

Mots clés: Infrared Radiation Detectors; Microelectromechanical System; Thin Film

Mots clés: Microélectronique

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Vanuza Marques Do Nascimento. Détecteurs de rayonnement (IR->THz) innovants à base d'oxydes fonctionnels. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Normandie Université, 2019. Français. ⟨NNT : 2019NORMC244⟩. ⟨tel-02866992v2⟩