Radiomètre à substitution électrique (RSE) et radiomètre cryogénique (référence primaire)

Radiométrie & photométrie

La photométrie en physique regroupe toutes les mesures en rapport avec la lumière blanche. C’est la science qui étudie le rayonnement lumineux tel qu’il est perçu par la vision humaine. Vers les années 1700 (Walsh, 1953), avant même de comprendre la composition de la lumière blanche et son spectre de couleurs, les premiers principes fondamentaux de la photométrie ont été établis, mais la lumière n’était pas quantifiable par absence de procédure de mesurage. Dans la quête d’une référence, plusieurs inventions de lumière artificielle ont vu le jour. La mesure de la lumière est devenue de plus en plus exacte ce qui constitue une limitation pour la photométrie qui s’appuie sur la sensibilité de l’oeil humain, qui, n’est pas la même à toutes les longueurs d’onde du visible. De plus, les mesures des rayonnements se sont étendues en deçà et au-delà du spectre du visible(Designes, 1992; Desvignes, 1991). C’est ainsi que la radiométrie est née, avec les détecteurs thermiques et quantiques, qui s’intéresse à l’énergie rayonnante émise par une source ou reçue par un détecteur sans se préoccuper de l’impression produite sur l’oeil avec des grandeurs similaires, mais avec d’autres unités. Pour conclure, la photométrie, en faisant intervenir la sensibilité de l’oeil dans la mesure, devient donc un cas particulier de la radiométrie. Pour le cas de ce projet, nous nous intéressons donc à la radiométrie. Ainsi, nous allons présenter les grandeurs et les unités radiométriques ainsi que les différents détecteurs radiométriques parmi lesquels le radiomètre cryogénique (pris comme référence primaire) et les étalons de transferts.

Grandeurs radiométriques et Unités de mesure La grandeur principale(Designes, 1992; Meyzonnette et Jean-Louis, 2002) à mesurer est le flux qui représente la quantité d’énergie lumineuse ? passant à travers une surface pendant une unité de temps Δ? et qui est illustrée dans l’équation (1.1) Le flux lumineux ou la puissance lumineuse sont deux grandeurs équivalentes. Trois types d’unités quantifient ce flux. Suivant la théorie ondulatoire, nous parlons de flux énergétique ?? qui est exprimé en Watt, aussi suivant la théorie corpusculaire, le flux photonique ?? s’exprime en s-1, et finalement le flux lumineux (ou visuel) ?? sert à quantifier la stimulation visuelle perçue par un oeil standard. Pour ce cas l’unité est le lumen et ce flux dépend du récepteur et de la nature du rayonnement. Toutes les autres grandeurs radiométriques(Designes, 1992; Pérez et Françon, 2000) sont des grandeurs qui découlent de l’expression du flux tel que l’intensité, la luminance, et l’éclairement et dont les unités pour les différentes branches (énergétique, photonique et visuelle) sont illustrées dans le tableau 1- 1 suivant : Tableau 1-1 Grandeurs radiométriques selon le Système d’unités International En effet, ces grandeurs représentent des manifestations géométriques qui décrivent adéquatement les caractéristiques, non seulement, des sources, mais aussi des récepteurs et des matériaux éclairés dans une situation expérimentale donnée. Pour le cas de cette étude, nous nous intéressons à améliorer la sensibilité d’une photodiode à base de Germanium en diminuant la réflectivité de sa surface. Cette sensibilité, s’exprimant en fonction du courant de sortie du dispositif, doit être proportionnel au flux lumineux énergétique en Watt incident provenant d’une source de lumière.

Détecteurs radiométriques

Pour présenter les différents types de détecteurs radiométriques, nous pouvons nous baser sur plusieurs classifications. La classification la plus répandue pour la mesure des rayonnements étant de diviser les détecteurs en détecteurs quantiques et thermiques. Ils sont très différents par leurs propriétés de bruit et d’étendue spectrale. Une autre distinction peut être faite en raison du coefficient de réflexion et dans ce cas, nous parlons de détecteurs plans et de détecteurs cavités. Aussi, souvent dans le domaine de la métrologie, nous pouvons distinguer entre détecteurs primaires et détecteurs de transfert. De nombreuses autres caractéristiques (la sélectivité spectrale, la directivité et la spécialisation pour les grandeurs d’éclairement ou de luminance) enrichissent encore cette famille, mais nous n’allons pas les aborder pour le cas de cette étude. En métrologie, la notion de référence primaire et de référence de transfert est très générale. La référence primaire est un instrument capable de réaliser des mesures d’une grandeur en ne se référant qu’à la définition du système international d’unités (SI). Pour les mesures radiométriques, le watt est une unité secondaire du SI. Dans le paragraphe suivant, nous allons présenter un détecteur thermique qui est le radiomètre à substitution électrique fonctionnant à la température de l’hélium liquide appelé encore radiomètre cryogénique, et un détecteur quantique qui est la photodiode à efficacité quantique (QED), tous deux considérés comme référence primaire.

Nous allons aussi parler des étalons de transfert qui sont des instruments étalonnés par comparaison, soit directement à une référence primaire, ils sont alors qualifiés de références secondaires, soit à un autre instrument de transfert lui-même traçable à la référence primaire. Les instruments de transfert sont très utiles surtout pour le domaine industriel dans lequel nous avons besoin d’une bonne exactitude. Les instruments primaires, quant à eux, sont souvent trop complexes à mettre en place et à étalonner et sont, pour la plupart du temps, trop difficile à transporter. C’est pour cette raison que généralement les références primaires sont réalisées et préservées dans les laboratoires nationaux et ne sont pas utilisées sur le terrain. Cependant, il faut savoir que l’incertitude est dégradée à chaque transfert et que la dérive est inévitable donc l’instrument nécessite un réétalonnage régulier. Pour les rayonnements optiques, les instruments de transfert sont soit des détecteurs quantiques spécialisés pour un domaine spectral (photodiodes au silicium, au germanium ou à l’arséniure de gallium-indium), soit des détecteurs thermiques de type thermopile ou pyroélectrique.

Principe de fonctionnement d’une jonction PN Avant de parler de la jonction, la compréhension de la structure atomique d’un semiconducteur isolé (intrinsèque, type N ou type P) et l’interaction interatomique pour la construction de la bande d’énergie interdite doivent être comprises(Sze, 2008). Le Germanium, par exemple, est un semi-conducteur ayant une énergie de bande interdite de 0,67 eV à température ambiante. Ceci est le décalage entre la bande de valence et la bande de conduction. A la température du zéro absolu, la bande de valence est complètement remplie et la bande de conduction est vacante. Lorsque la température augmente, les électrons sont excités et passent de la bande de valence à la bande de conduction par l’effet de l’énergie thermique. Les électrons peuvent également passer à la bande de conduction en absorbant l’énergie des particules ou des photons avec des énergies supérieures à 0.67 eV, ce qui correspond à des longueurs d’onde plus courtes que 1850 nm. Les électrons résultants dans la bande de conduction sont libres de conduire le courant.

Maintenant, par des différentes techniques de dopage, nous sommes devenus capables de créer un surplus de porteurs de charges dans le Germanium (ou n’importe quel semi-conducteur) non dopé. Ces porteurs de charges peuvent être soit positifs et dans ce cas nous parlons de Ge-type P, soit négatifs et dans ce cas nous parlons de Ge-type N. Lorsque nous joignons deux parties de Ge l’un de type P et l’autre de type N, en raison d’un gradient de concentration, la diffusion des électrons de la région de type N vers la région de type P et la diffusion de trous de la région de type P vers la région de type N, développe une tension intégrée à travers la jonction. L’inter-diffusion des électrons et des trous entre les régions P et N à travers la jonction engendre une région dépourvue de porteurs libres appelée zone désertée ou encore zone de charge d’espace (ZCE) tel que le montre la figure 1-5. L’établissement de cette zone désertée par la répartition des charges crée un champ électrique et une barrière de potentiel. Comme le montre la figure 1-6, cette barrière de potentiel est contrôlable par l’application d’une polarisation externe qui peut être directe ou inverse. Une polarisation directe (quadrant où la tension est positive dans la caractéristique I-V) engendre la diminution de la barrière facilitant ainsi le passage des porteurs de charge, alors qu’une polarisation inverse (quadrant où la tension est négative dans la caractéristique I-V) augmente la barrière et de ce fait devient difficile à franchir par les porteurs de charge. Pour les deux cas, les charges qui franchissent la barrière vont être collectées par le circuit externe générant ainsi un courant. Pour le cas des photodiodes, là où le but c’est de mesurer la puissance du rayonnement incident. Les paires électrons-trous doivent être générées au niveau de la jonction c’est pour cette raison que la polarisation inverse est le plus souvent utilisée dans le but d’élargir la zone de déplétion. Le courant généré est ainsi proportionnel à la lumière incidente ou à la puissance de rayonnement.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Spectre électromagnétique
1.3 Radiométrie & photométrie
1.4 Grandeurs radiométriques et Unités de mesure
1.5 Détecteurs radiométriques
1.5.1 Détecteurs thermiques
1.5.1.1 Radiomètre à substitution électrique (RSE) et radiomètre cryogénique (référence primaire)
1.5.2 Détecteurs quantiques (photoniques)
1.5.2.1 Photodiodes autoétalonnables (référence primaire)
1.5.2.2 Détecteur piège
1.5.2.3 Couche antireflet et apport de la porosité
1.6 Types et principe de fonctionnement des photodiodes
1.6.1 Principe de fonctionnement d’une jonction PN
1.6.2 Caractéristiques d’une photodiode à base de jonction PN
1.6.2.1 Circuit équivalent et caractéristiques électroniques
1.6.2.2 La caractéristique I-V et les caractéristiques dérivées
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 RÉALISATION D’UNE PHOTODIODE À BASE DE GERMANIUM BRUT
2.1 Introduction
2.2 Étapes de réalisation d’une photodiode à base de Germanium
2.3 Réalisation de la jonction PN
2.3.1 Description de la technique d’implantation ionique
2.3.2 Simulation du profil de diffusion de l’espèce à doper
2.3.3 Traitement thermique post implantation et caractérisation de la couche dopée
2.3.3.1 Recuit standard au four (RSF)
2.3.3.2 Processus thermiques rapides (PTR)
2.3.3.3 Caractérisation de la jonction PN
2.4 Contacts avant et arrière
2.4.1 Couche mince d’oxyde transparent et conducteur
2.4.2 La métallisation
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 TECHNIQUES DE GRAVURES ET TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION
3.1 Introduction
3.2 Différentes techniques de porosification
3.2.1 La gravure à sec
3.2.1.1 La gravure physique à sec
3.2.1.2 Gravure chimique à sec
3.2.1.3 Gravure par ions réactifs
3.2.1.4 La gravure par implantation ionique
3.2.2 La gravure humide
3.2.2.1 La gravure humide électrochimique
3.2.2.2 La gravure humide autocatalytique
3.3 Méthodologie expérimentale
3.4 Les différentes techniques de caractérisation
3.4.1 Microscope électronique à balayage (MEB) ou Secondary Electron Microscopy (SEM)
3.4.2 Microscope à Force Atomique (AFM)
3.4.3 Diffraction des rayons X (XRD)
3.5 Les trois techniques de gravure autocatalytique et leurs résultats expérimentaux
3.5.1 Le déplacement galvanique
3.5.2 Gravure autocatalytique assistée par un métal
3.5.3 Élimination des particules Ag de la surface du Ge
3.5.4 Gravure autocatalytique acide à l’eau régale
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 TRAITEMENT DE LA SURFACE DU GERMANIUM POUR LA RÉALISATION D’UNE PHOTODIODE À BASE DE GERMANIUM POREUX
4.1 Introduction
4.2 Caractérisation du Germanium poreux obtenu par immersion dans des bains à l’eau régale
4.2.1 La morphologie de surface étudiée par AFM
4.2.2 L’analyse structurale par diffraction des rayons X
4.2.3 Impact de la couche poreuse sur les caractéristiques optiques du Ge
4.3 Réalisation d’une photodiode au Ge avec et sans l’intégration d’une couche poreuse
4.4 Banc expérimental et résultats de caractérisation I-V
4.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS ET TRAVAUX FUTURS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUE

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