Notions d`efficacité quantique

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, 62606896×10-34 J s
c=299 792 458 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).
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Efficacité quantique des caméras
d’XMM-Newton MOS
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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 = 50000 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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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
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Efficacité quantique pour un CCD 3 phases
avec des électrodes minces de 400 Å
e. Utilisation d’électrodes ouvertes
• Une zone des électrodes est
complètement enlevée.
• Dans ces “trous”, il ne reste que
la couche d’oxyde.
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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
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• 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
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Image 2D de l’efficacité à 4000Å d’une back-illuminated CCD
sans couche d’accumulation
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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
Efficacité quantique des caméras MOS Efficacité quantique de la caméra PN
d’XMM-Newton
d’XMM-Newton
(“front-illuminated CCD”)
(“back-illuminated CCD”)
18
• En optique &UV,
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• 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
3.3
600
5.0
650
7.6
700
8.5
750
16
800
23
850
46
900
62
950
150
1000
470
1050
1500
1100
7600
λ
(nm)
Photon Absorption Depth in Silicon
• Couche anti-réflection optimisée pour
photons proche IR
Profondeur d’absorption moyenne dans
le silicium
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