Realisation and characterisation of LiTaO3 pyroelectric thin films by RF magnetron sputtering for IR detector's applications
ELABORATION ET CARACTERISATION DE COUCHES MINCES PYROELECTRIQUES DE LiTaO3 PAR PULVERISATION CATHODIQUE RF MAGNETRON POUR DES APPLICATIONS DETECTEURS IR
Résumé
This thesis relates differents steps for manufacturing IR pyroelectric detector with LiTaO3 thin films. The first chapter treats pyroelectric effect in IR detectors. LiTaO3 cristal's chemical and physical properties are shown in second chapter. The characterisation tools and technicals of deposition used to realise the study system (top electrode / pyroelectric film / back electrode) are presented in the third chapter. The fourth and the fifh chapters respectively present the material study of ruthenium oxide thin films deposited by RF sputtering which are used as back contact and the material study of the pyroelectric LiTaO3 thin films elaborated by RF magnetron sputtering. The top electrode is deposited by thermal evaporation of Al or by RF sputtering for NiCr contacts. In the sixth chapter, dielectric characterisations showed that Ru film presence at interface between RuO2 film and substrate decreases the dielectrics loses. These characterisations also showed the influence of LiTaO3 growth conditions on their dielectric properties. These results are in agreement with measurements of pyroelectric coefficients presented in the seventh chapter. In addition, this chapter examines the effect of parasite charges on the pyroelectric current. In part, the effect is attributed to interface between LiTaO3 and back electrode. For Li enriched target, the thin films can present pyroelectric coefficient equal to 55 µC/cm2K ( LiTaO3 bulk crystal is 180 µC/cm2K). The last chapter is devoted to IR pyroelectric detector realisation (micro usining, associated electronic) and current reponsivity
Cette thèse décrit les différentes étapes nécessaires à la réalisation d'un détecteur IR pyroélectrique en couches minces de LiTaO3, depuis l'étude matériau aux procédés de la microélectronique. Le premier chapitre reprend le principe de l'effet pyroélectrique dans les détecteurs IR. Les propriétés physiques et chimiques du cristal de LiTaO3 sont données dans le second chapitre. Le troisième chapitre fait l'inventaire des outils et des techniques de dépôts utilisés pour réaliser l'empilement de base du détecteur IR (contact avant/ couche pyroélectrique / contact arrière). Les chapitres suivants sont consacrés aux résultats expérimentaux. Le quatrième et le cinquième chapitres présentent respectivement l'étude matériau des couches minces de dioxyde de ruthénium qui servent de contact arrière et l'étude matériau des couches minces pyroélectriques de LiTaO3. La pulvérisation cathodique RF et la pulvérisation cathodique RF magnétron sont les deux méthodes de dépôt utilisées. L'électrode supérieure est déposée par évaporation thermique pour les plots d'aluminium ou par pulvérisation cathodique RF pour les pistes en NiCr. Les caractérisations diélectriques présentées dans le sixième chapitre ont montré que la présence d'une couche d'accroche de Ru à l'interface substrat électrode enterrée diminue de moitié les pertes dans le diélectrique. Ces caractérisations ont également permis de mettre en évidence l'influence des conditions de dépôt des couches de LiTaO3 sur leurs propriétés diélectriques. Ces tendances sont confortées par les résultats obtenus par des mesures du coefficient pyroélectrique présentées dans le septième chapitre. Ce chapitre met en avant le rôle du contact arrière quant à la présence de charges parasites pouvant se superposer à l'effet pyroélectrique permanent. Pour une cible enrichie en Li, les couches peuvent présenter des coefficients pyroélectriques de 55 µC/cm2K (180 µC/cm2K pour le cristal massif de LiTaO3). Le dernier chapitre est consacré à la réalisation du détecteur pyroélectrique IR (micro-usinage, électronique associée) et à sa réponse en courant.
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