Persistence study on near IR HgCdTe retinas for astronomy applications

Le niveau de performance attendu des détecteurs utilisés pour les applications en astronomie Infra-Rouge (IR) extrêmement élevé. Pour les détecteurs de la filière HgCdTe, le rendement quantique, le bruit de lecture et le courant d’obscurité sont bien maitrisés. Il reste cependant une caractéristique limitant l’exploitation scientifique permise par ces détecteurs : la persistance. Concrètement, l’empreinte des images précédentes pollue pendant plusieurs heures les images suivantes. Or, les développements en cours ne prennent absolument pas en compte cette caractéristique, qui est assez prononcée sur les matrices déjà existantes aux USA. Les mécanismes physiques et les étapes technologiques responsables de cette dégradation ne sont pas connus. Il n’existe pas non plus de méthodologie claire pour étudier le phénomène. Cette thèse propose donc d’étudier expérimentalement la persistance sur des matrices issues des salles blanches même du CEA-LETI. Le laboratoire est en effet impliqué avec l’ESA, le CEA-IRFU et l’industriel Lynred pour mettre au point une filière Européenne de détecteurs en HgCdTe grand format (2048×2048 pixels au pas de 15µm) dans la bande spectrale 0.8-2.1µm. Un gain sur cette caractéristique représenterait alors un facteur différenciant crucial par rapport aux détecteurs actuels. Les matrices de petit format (640×520 pixels) étudiées sont fabriquées selon une grande diversité de procédés technologiques et l’impact de certaines étapes sur la persistance a été mis en évidence. La passivation, les dégâts liés au procédé de fabrication des photodiodes et les défauts dans le volume du matériau absorbant se sont notamment révélés être des contributeurs majeurs. Ces contributions n’avaient jamais été observées avec des méthodes de caractérisation classiques, d’où l’intérêt des protocoles développés pour une filière de fabrication d’imageur IR en HgCdTe. Ces mesures sont enfin comparées à un modèle analytique de persistance. Ce modèle permet d’estimer qu’une densité de défauts de l’ordre du dopage résiduel est suffisant pour expliquer la persistance mesurée sur certains détecteurs.For astronomy applications, the expected performance level of Infra-Red (IR) detectors is extremely high. For the HgCdTe industry, the quantum efficiency, read-out noise and dark current are well controlled. However, one remaining characteristic limits the scientific use of these detectors: the persistence. In short terms, previous images leave their imprint and pollute the following images with time constants of the order of hours. However, current developments marginally take into account this phenomenon, which is yet present on today’s detectors from US industries. Neither physical mechanisms involved nor technological steps responsible for this degradation are known. In addition, there is no clear methodology to study this characteristic. Consequently, this thesis proposes an experimental study of persistence based on detectors directly manufactured in CEA-LETI clean rooms. The laboratory is indeed involved in a large scale program with ESA, the CEA-IRFU and the industrial partner Lynred to set up an European industrialization of Infra-Red detectors for low flux astronomy application. Theses detectors are HgCdTe large format (2048×2048 15µm pitch pixels) sensitive to the 0.8-2.1µm spectral band. For this industrialization, an improvement on the persistence criteria would be a crucial advantage compared to existing detectors. In this thesis, smaller format detectors from preliminary batches are characterized. They are processed with a large diversity of technological steps and we could identify some responsible for persistence. Passivation, degradations related to the diode formation process and bulk defects in the absorbing layer are especially revealed as major contributors. The impact of these technological steps had never been observed with classical characterization techniques, hence the importance of developed protocols in the frame of the detector industry. Finally, these measurements are compared with an analytical model of persistence. It allows estimating that a trap density on the order of residual doping is sufficient to explain observed persistence on some detectors

Etude de la persistance dans les rétines proches IR en HgCdTe pour les applications en astronomie.

For astronomy applications, the expected performance level of Infra-Red (IR) detectors is extremely high.For the HgCdTe industry, the quantum efficiency, read-out noise and dark current are well controlled.However, one remaining characteristic limits the scientific use of these detectors: the persistence. In shortterms, previous images leave their imprint and pollute the following images with time constants of the orderof hours. However, current developments marginally take into account this phenomenon, which is yet presenton today’s detectors from US industries. Neither physical mechanisms involved nor technological stepsresponsible for this degradation are known. In addition, there is no clear methodology to study thischaracteristic. Consequently, this thesis proposes an experimental study of persistence based on detectorsdirectly manufactured in CEA-LETI clean rooms. The laboratory is indeed involved in a large scale programwith ESA, the CEA-IRFU and the industrial partner Lynred to set up an European industrialization of Infra-Red detectors for low flux astronomy application. Theses detectors are HgCdTe large format (2048×204815μm pitch pixels) sensitive to the 0.8-2.1μm spectral band. For this industrialization, an improvement onthe persistence criteria would be a crucial advantage compared to existing detectors. In this thesis, smallerformat detectors from preliminary batches are characterized. They are processed with a large diversity oftechnological steps and we could identify some responsible for persistence. Passivation, degradations relatedto the diode formation process and bulk defects in the absorbing layer are especially revealed as majorcontributors. The impact of these technological steps had never been observed with classical characterizationtechniques, hence the importance of developed protocols in the frame of the detector industry. Finally, thesemeasurements are compared with an analytical model of persistence. It allows estimating that a trap densityon the order of residual doping is sufficient to explain observed persistence on some detectorsLe niveau de performance attendu des détecteurs utilisés pour les applications en astronomie Infra-Rouge(IR) extrêmement élevé. Pour les détecteurs de la filière HgCdTe, le rendement quantique, le bruit de lectureet le courant d’obscurité sont bien maitrisés. Il reste cependant une caractéristique limitant l’exploitationscientifique avec ces détecteurs : la persistance. Concrètement, l’empreinte des images précédentes polluependant plusieurs heures les images suivantes. Or, les développements en cours ne prennent absolument pasen compte cette caractéristique, qui est assez prononcée sur les matrices déjà existantes aux USA. Lesmécanismes physiques et les étapes technologiques responsables de cette dégradation ne sont pas connus. Iln’existe pas non plus de méthodologie claire pour étudier le phénomène. Cette thèse propose donc d’étudierexpérimentalement la persistance sur des matrices issues des salles blanches même du CEA-LETI. Lelaboratoire est en effet impliqué avec l’ESA, le CEA-IRFU et l’industriel Lynred pour mettre au point unefilière Européenne de détecteurs en HgCdTe grand format (2048×2048 pixels au pas de 15μm) dans la bandespectrale 0.8-2.1μm. Un gain sur cette caractéristique représenterait alors un facteur différenciant crucial parrapport aux détecteurs actuels. Les matrices de petit format (640×520 pixels) étudiées sont fabriquées selonune grande diversité de procédés technologiques et l’impact de certaines étapes sur la persistance a été misen évidence. La passivation, les dégâts liés au procédé de fabrication des photodiodes et les défauts dans levolume du matériau absorbant se sont notamment révélés être des contributeurs majeurs. Ces contributionsn’avaient jamais été observées avec des méthodes de caractérisation classiques, d’où l’intérêt des protocolesdéveloppés pour une filière de fabrication d’imageur IR en HgCdTe. Ces mesures sont enfin comparées à unmodèle analytique de persistance. Ce modèle permet d’estimer qu’une densité de défauts de l’ordre du dopagerésiduel est suffisant pour expliquer la persistance mesurée sur certains détecteurs

ROIC glow reduction in very low flux short wave infra-red focal plane arrays for astronomy

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Fabrication and characterization of a high performance NIR 2kx2k MCT array at CEA and Lynred for astronomy applications

Event: SPIE Defense + Commercial Sensing, 2022, Orlando, Florida, United StatesInternational audienc