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Effets de l’environnement radiatif spatial sur les détecteurs infrarouges

Description

Les détecteurs Infra-Rouges (IR) jouent depuis longtemps un rôle important  dans le domaine de l’observation de la Terre depuis l’espace, notamment pour les applications de météorologie, de climatologie et de chimie de l’atmosphère. Compte tenu du large domaine de longueur d’onde à étudier (de 1 à 16 microns), du besoin d’une grande sensibilité et d’une réponse rapide et de l’intérêt de fonctionner à la plus haute température possible, les détecteurs basés sur le matériau semi-conducteur CdHgTe (aussi appelé MCT) sont de loin les plus utilisés.

Les premières générations d’instruments d’observation de la Terre européens à hautes performances dans le domaine IR (années 70 à 90) ont pour la très grande majorité utilisé des détecteurs MCT dits de première génération, sous la forme de mono-éléments photodiodes (PV) ou photoconducteurs (PC) de grande surface photosensible. La génération actuelle d’instruments IR européens (démarrée à la fin des années 2000) est par contre principalement basée sur l’utilisation de réseaux de photodiodes CdHgTe multiplexées par un circuit de lecture CMOS. Du point de vue de leur comportement aux radiations, une approche « projet » a été appliquée, basée sur une évaluation de la dégradation de leur performances après irradiation dans des conditions représentatives du profil de vie de chaque mission. Si les résultats ont généralement confirmé le bon comportement des détecteurs PV MCT multiplexés à la fois à la dose ionisante et aux effets de déplacement, aucune étude scientifique n’a à ce jour été menée en Europe afin de comprendre et maitriser les interactions entre ces détecteurs et l’environnement radiatif spatial, contrairement aux détecteurs basés sur des technologies silicium. Un tel constat est d’autant plus surprenant que le nombre de missions basées tout ou partie sur des observations dans des bandes IR est en nette augmentation, démontrant leur importance croissante pour l’observation de la Terre (le même phénomène étant constaté pour les missions scientifiques). Au-delà de cette absence de fond scientifique, le besoin de mener des études plus poussées sur l’effet des radiations sur les détecteurs IR PV MCT multiplexés est également justifié par plusieurs autres raisons et constats :

-          Le passage de quelques détecteurs mono éléments de grande surface à un très grand nombre de pixels (dépassant le million) de pas réduit (jusqu’à 15 µm) amplifie les conséquences au niveau du système de modifications locales des propriétés du semi-conducteur MCT

-          Les besoins de performances des missions en cours et futures étant en nette augmentation par rapport aux générations précédentes, leur succès devient plus dépendant de la maitrise de l’ensemble des phénomènes pouvant dégrader les performances des détecteurs IR utilisés. A contrario, le coût de réalisation d’un détecteur IR PV MCT multiplexé étant fortement dépendant des spécifications associées, il est économiquement important de savoir dimensionner au plus juste les besoins fin de vie de la mission

-          Les instruments de la génération actuelle sont pour la plupart en fin de cycle de développement et seront mis en orbite dans les prochaines années. Il sera important de pouvoir confronter les premiers retours en vol de détecteurs IR PV MCT multiplexés européens avec un formalisme scientifique dépassant les simples constats « go/no go » menées durant les phase de qualification des détecteurs IR embarqués

-          Plusieurs technologies de détection tentent désormais de concurrencer le matériau MCT pour l’observation IR spatiale. Afin de réaliser une comparaison la plus exhaustive possible entre les différentes technologies candidates pour de futures missions, il convient dès lors d’intégrer dans cet exercice la prise en compte de leurs  différences de comportement aux radiations 

L’objectif de cette thèse est de caractériser, analyser et comprendre les dégradations induites par la dose ionisante cumulée et les effets de déplacement générés par l’environnement radiatif spatial dans les détecteurs infrarouges. La technologie cible pour ces travaux de thèse est la technologie standard LETI-Sofradir CdHgTe  n/p utilisée par la grande majorité des instruments IR européens actuellement en cours de développement. Afin de décorréler les sources de dégradations, les variations suivantes seront explorées sur des structures de test dédiées:

- des variations géométriques des échantillons étudiés pour mettre en évidence le rôle des différentes régions et interfaces des détecteurs

- des variations de procédé de fabrication pour en évaluer l’impact sur la résistance aux radiations

- l’utilisation de différentes sources de radiation (protons, gamma, neutron…) pour discriminer le comportement des défauts induits par la dose ionisante cumulée des défauts induits par les déplacements atomiques

Ce sujet possède un double enjeu :

- Le premier consiste à améliorer la connaissance des défauts électriquement actifs qui limitent les performances des détecteurs infrarouges, aussi bien après fabrication qu’après irradiation. Ces résultats permettront potentiellement d’améliorer ces performances ou de renforcer la tenue aux radiations de cette technologie.

- Le second vise à obtenir une vision claire de la résistance à l’environnement radiatif spatial de ce type d’imageurs, à valider qu’ils pourront être utilisés dans les prochaines missions spatiales et à anticiper leur comportement pour une mission donnée, éventuellement à travers le développement de modèles prédictifs.

Le comportement des détecteurs infrarouges étudiés sera comparé à la littérature, et notamment au comportement mieux connu des détecteurs à base de silicium largement utilisés en environnement radiatif. Parmi les paramètres visés par cette étude, le rendement quantique, le courant d’obscurité et le phénomène de « Random Telegraph Signal (RTS) » seront les cibles principales.

La réalisation du travail de thèse se fera principalement au CEA LETI (Grenoble), dans le département optronique DOPT/SICM/LIR, avec des séjours occasionnels à l’ISAE-SUPAERO (Toulouse), dans le groupe CIMI dédié à la recherche sur les imageurs intégrés, en étroite collaboration avec le département architectures et développements de chaines de détection d’AIRBUS Defence and Space.

De façon détaillée, le doctorant devra :

- Réaliser une revue de l’état de l’art :

-  de la physique de détecteurs infrarouges CdHgTe n/p dopé lacune de Mercure  et de leur procédé de fabrication

- des effets des rayonnements ionisants et des effets de déplacement atomique sur le matériau CdHgTe

- Des plans focaux (TV p15, bande MWIR) sont disponibles au sein du LETI pour ces études d’irradiation.  Issues d’un projet DGA visant l’étude des points clignotants, ces matrices présentent diverses variantes de géométries de diodes. De plus, ces matrices sont issues des différentes plaques avec des variantes de dopage, de passivation et de substrat. Au début de la thèse, une caractérisation initiale poussée de ces matrices sera disponible, comme status pré-irradiation. Dans une première phase, le doctorant devra choisir parmi ces objets disponibles les matrices les plus judicieuses, en s’appuyant sur son étude bibliographique. Il devra également définir les sources de radiation les plus pertinentes pour mener à bien l’étude. Certaines caractérisations additionnelles initiales sont également envisageables pour dresser un bilan initial complet pré-irradiation.

- La seconde phase correspond à l’irradiation de ces matrices et la caractérisation qui suit, en termes de performance pure, mais également en termes de pixels clignotants (RTS). L’objectif est la quantification des dégradations des diodes sous irradiation et la mise en évidence des paramètres influant sur la dégradation des diodes sous irradiations. Des outils d’analyse seront certainement à développer pour réaliser une étude exhaustive des phénomènes observés.

- La dernière phase sera dédiée à la synthése des résultats obtenus en mettant en valeur les effets identifiés et leur origine. Selon le niveau de compréhension atteint durant la thèse, des modèles permettant d’anticiper les effets de l’environnement radiatif spatial sur les technologies étudiées pourront être proposés. Ce travail d’analyse pourra également s’appuyer sur les données de vol acquises sur les détecteurs SWIR en technologies similaires, produites et qualifiées par Sofradir.

Le doctorant sera amené à valoriser ses résultats sous forme de publication scientifiques et de communications dans des colloques internationaux.

Profil

Master recherche/diplôme d’ingénieur (ou équivalent) dans au moins une des spécialités suivantes :

- nano/microélectronique (conception, procédés de fabrication…)

- optoélectronique

- physique du semi-conducteur

- physique du solide

- physique des particules

- interaction particule-matière

- environnement radiatif spatial et effets sur les composants électroniques

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CEA LETI
Directeur(rice) de thèse/recherche : Goiffon Vincent
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : vincent.goiffon@isae-supaero.fr
Responsable Cnes de l'offre : VIRMONTOIS Cédric

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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