E ph E g. h=6, J s c= m s 1

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Jean Gilbert Renaud
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1 IV Efficacité quantique 1 Définition Seuls les photons avec une énergie électrons. Puisque E ph=hν= E ph E g peuvent générer des photo- hc, on a la relation : λ λ avec λc =1,1 μm (IR) c λ hc 1,24 [ μm ] et E g=1,12 ev λc = = E g E g ev h=6, J s c= m s 1 L énergie nécessaire pour produire une paire électron-trou est ω=3,65 ev pour le silicium à T=300K. Ex. : photon IR-visible, N ~ 1 e-/h (sensible à la luminosité) photon X, E=1000 ev, N = E/ω ~ 274 e-/h (sensible à l énergie des photons) L efficacité quantique traduit la capacité d un détecteur à transformer l énergie des photons en charges (électrons & trous). 1

2 Efficacité quantique des caméras d XMM-Newton MOS 2

3 2 Paramètres agissant sur l efficacité quantique a) Coefficient d absorption linéique (μ) μ évolue rapidemment avec l énergie des photons. Ex. : - Pour des photons à 400 nm (bleu), μ = cm-1 & distance moyenne d absorption ~ 0,2 μm - Pour des photons à 650 nm (rouge), μ = 3000 cm-1 & distance moyenne d absorption ~ 3,33 μm - Pour des photons X (1 kev), μ = 3658,1 cm-1 & distance moyenne d absorption ~ 2 x 104 Å = 2 μm Profondeur d interaction 3

$b) Réflection de surface dans le domaine visible - UV Une fraction de la lumière visible est réfléchie à la surface de la$

4 b) Réflection de surface dans le domaine visible - UV Une fraction de la lumière visible est réfléchie à la surface de la CCD (aspect miroir de la CCD cf. TP CCD fonctionnement ). Perte d efficacité quantique. Taux de réflectivité du silicium 4

5 c) Temps de recombinaison (τ) Le temps de recombinaison correspond à l intervalle de temps séparant la génération des photo-électrons de leur recombinaison dans le volume du silicium : - recombinaison directe : avec un trou de la bande de valence (émission d un photon) rare - recombinaison indirecte : plus fréquemment via les impuretés ou les défauts profonds agissant comme des centres de recombinaison (chaleur) Plus τ est grand et plus la probabilité de collecter complètement les charges créées augmente. τ dépend de la concentration d impuretés (dopants) dans le silicium et la qualité du silicium (présence de défauts dans la structure cristalline). La structure du photo-site est telle qu à la surface et dans le substrat (plus grande densité de défauts) les durées de vie des charges sont les plus courtes. 5

6 d) Longueur de diffusion (L) La longueur de diffusion est la distance moyenne parcourue par les porteurs mobiles avant recombinaison ( L= D τ). diff Lorsque des charges sont créées dans la partie champ libre, les charges vont diffuser dans le volume du silicium. Dans certains cas, les charges formées dans un photo-site peuvent s étendre sur les photo-sites voisins. La diffusion est fortement dépendante de la température. Le courant de diffusion est donné par : dn J diff =qddiff [ A cm-2 ] dx avec q la charge de l électron, Ddiff le coefficient de diffusion et n(x) la concentration d électrons à la position x dans le silicium. 6

7 e) Le champ électrique (E) La présence du champ électrique induit une migration des électrons. Ceci peut s exprimer sous la forme d un courant : J drift =qμn n x E x [ A cm-2 ] avec μn la mobilité des électrons. L efficacité quantique η peut ainsi être améliorer en jouant sur le profil de dopage ainsi que l intensité et l extension du champ électrique. f) Absorption par les matériaux se trouvant au dessus du volume sensible Les électrodes et l oxyde deviennent opaques (absorbantes) dans une certaine bande d énergie (bleu, UV, X mous ). L efficacité quantique s en trouve réduite. 7

3 Moyens d augmenter l efficacité quantique Pour pallier à la réflection de surface dans le domaine visible-uv, on ajoute un revêtement anti-réflection sur chaque photo-site ou en utilisant des

8 3 Moyens d augmenter l efficacité quantique Pour pallier à la réflection de surface dans le domaine visible-uv, on ajoute un revêtement anti-réflection sur chaque photo-site ou en utilisant des microlentilles dans le visible. Afin de pallier à l opacité des électrodes (du bleu aux X mous), plusieurs techniques sont employées : a. b. c. d. e. f. Dans l UV, utilisation de matériau phosphorescent (+micro-lentille) Utilisation d électrodes plus transparentes CCD à phase virtuelle CCD à électrodes minces CCD à électrodes ouvertes Back-illuminated CCD 8

a. Utilisation de matériau phosphorescent Phosphore va capter le rayonnement UV et va ré-émettre un rayonnement visible pour lequel les électrodes sont transparentes.

9 a. Utilisation de matériau phosphorescent Phosphore va capter le rayonnement UV et va ré-émettre un rayonnement visible pour lequel les électrodes sont transparentes. Ajout de micro-lentilles permettant de focaliser le rayonnement visible qui est émis dans toutes les directions. Ex.: utilisation de lumigen Taux de luminescence du lumigen Image à balayage électronique de la surface d une CCD recouverte de lumigen après cuisson à 70oC. Comparaison de l efficacité quantique avec et sans lumigen. 9

10 b. Utilisation d électrodes plus transparentes Electrode en Indium/Tin/Oxyde au lieu de silicium polycristallin Efficacité quantique d une CCD Kodak avec électrodes transparentes 10

11 c. CCD à phase virtuelle Ce type de CCD fonctionne comme une CCD 2 phases. Pour améliorer la transparence des électrodes, l électrode 2 (phase virtuelle) est directement implantée dans le silicium par dopage P. Sous la phase virtuelle, on crée deux zones : une dopée N et une dopée N+. Même chose pour l électrode 1 Ceci permet de créer une marche de potentiel. Le transfert de charge s effectue en modulant la polarisation de l électrode 1. 11

d. Utilisation d électrodes minces Schéma de

balayage en coupe d une électrode mince 12

12 d. Utilisation d électrodes minces Schéma de principe d une mince montrant 4 électrodes électrode Efficacité quantique pour un CCD 3 phases avec des électrodes de 2000 Å d épaisseur Image à balayage en coupe d une électrode mince 12 Efficacité quantique pour un CCD 3 phases avec des électrodes minces de 400 Å

13 e. Utilisation d électrodes ouvertes Une zone des électrodes est complètement enlevée. Dans ces trous, il ne reste que la couche d oxyde. 13

f. Utilisation de CCDs éclairés par l arrière ( back-illuminated CCDs ) CCDs plus minces (6-10 μm) que les front-illuminated CCDs pour que les interactions photo-électriques aient lieu directement

14 f. Utilisation de CCDs éclairés par l arrière ( back-illuminated CCDs ) CCDs plus minces (6-10 μm) que les front-illuminated CCDs pour que les interactions photo-électriques aient lieu directement dans la zone totalement déplétée des photo-sites. Avantages : Meilleure efficacité quantique & réponse spectrale (sous certaines conditions cf. transparents suivants) Inconvénients : Plus chers et plus fragiles à manipuler 14

Back-illuminated CCDs amincies en utilisant des composés chimiques (HNO3, HF & CH3COOH) qui créent : - un aspect miroir à la surface réflectivité accrue besoin de revêtement anti-réflection - de

15 Back-illuminated CCDs amincies en utilisant des composés chimiques (HNO3, HF & CH3COOH) qui créent : - un aspect miroir à la surface réflectivité accrue besoin de revêtement anti-réflection - de nombreux défauts de surface qui vont piéger les charges créées. Pour pallier à ce problème, ajout d une couche de dopant N à la surface. SiO2 Si Image à balayage électronique de Schéma montrant les défauts de surface la surface d une back-illuminated CCD qui vont piéger les photo-électrons 15

16 Image 2D de l efficacité à 4000Å d une back-illuminated CCD sans couche d accumulation 16

17 Diagramme des bandes d énergie d une back-illuminated CCD avec une zone d accumulation dopée N dont les électrons vont boucher ces défauts. 17

18 Efficacité quantique des caméras MOS Efficacité quantique de la caméra PN d XMM-Newton d XMM-Newton ( front-illuminated CCD ) ( back-illuminated CCD ) 18

19 En optique &UV, 19

Dans le domaine proche IR, utilisation de back-illuminated CCDs et Backilluminated deep depletion CCDs avec une zone déplétée plus grande. 400 Profondeur d interaction (μm) 0.19 450 1.0 500 2.3 550 3.

20 Dans le domaine proche IR, utilisation de back-illuminated CCDs et Backilluminated deep depletion CCDs avec une zone déplétée plus grande. 400 Profondeur d interaction (μm) λ (nm) Photon Absorption Depth in Silicon Couche anti-réflection optimisée pour photons proche IR Profondeur d absorption moyenne dans le silicium 20

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