FR2894074A1 - Spectrometre infrarouge - Google Patents
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Abstract
Elément (2) de matériau semi-conducteur pour absorber des photons incidents (4), caractérisé en ce que la largeur et/ou la longueur d'onde centrale de la bande spectrale d'absorption du matériau semi-conducteur varie spatialement.
Description
SPECTROMETRE INFRAROUGE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L'invention concerne le domaine de la détection de rayonnement, en particulier dans le domaine de l'infra-rouge, à l'aide de détecteur quantique à semi-conducteur.
Les progrès en micro technologie ont permis de réaliser des systèmes imageurs et spectromètres infrarouges de hautes performances, notamment sous forme de détecteurs matriciels grand format. Les spectromètres de hautes performances sont généralement réalisés par des systèmes complexes sur le plan de l'optique, et donc de grande taille, et nécessitent d'être entièrement refroidis. Ces contraintes limitent leurs utilisations dans les applications embarquées (spatiales et de terrain). La miniaturisation de ces dispositifs permet de résoudre partiellement ces problèmes. Une solution a consisté à intégrer la fonction spectrométrique au plus près du plan de détectior..
Par cette approche, aucune optique de reprise entre le plan de détection et l'interféromètre ne serait nécessaire. De plus cet interféromètre peut être automatiquement pré-réglé et refroidi. Par exemple, un spectromètre de l'art antérieur est constitué d'un matériau absorbant homogène en longueur d'onde de coupure auquel on ajoute un filtre variable spatialement sous forme de coin, dont un exemple est donné dans le document US-5 166 755. Ce filtre permet de créer des interférences entre ses deux faces : la longueur d'onde pic des interférences se décale spatialement avec la variation d'épaisseur. Cette réalisation est cependant encore complexe à mettre en oeuvre, car elle nécessite la superposition de deux éléments : l'élément filtre, d'épaisseur variable, et le système détecteur lui-même, auquel l'élément détecteur est superposé. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un élément de matériau semi-conducteur pour absorber des photons incidents, caractérisé en ce que la largeur et/ou la longueur d'onde centrale de la bande spectrale d'absorption du matériau semi-conducteur varie spatialement. Selon l'invention, le matériau absorbant joue lui-même le rôle de filtre. Pour cela, on fait varier spatialement ses propriétés d'absorption. A cette fin, on peut faire varier spatialement sa bande spectrale, en largeur et/ou en position. Ces variations peuvent être obtenues par variation spatiale de la composition du matériau. L'invention concerne également une barrette ou une matrice d'éléments de détection semi conducteurs, comportant une pluralité d'éléments de détection tels que décrits ci-dessus et disposés alignés selon un axe ou disposés selon un plan.
Un dispositif de détection de photons selon l'invention peut comporter un élément ou une barrette d'éléments ou une matrice d'éléments selon l'invention et des moyens pour mesurer la quantité de photons absorbés localement par le matériau. Des moyens peuvent être prévus pour faire basculer le dispositif entre un mode de fonctionnement de type imagerie et un mode de fonctionnement de type spectromètre.
Avec un dispositif selon l'invention, on peut donc obtenir, en plus d'une cartographie de luminance d'une scène (mode imagerie), une information quantitative sur le spectre du rayonnement d'une zone de cette scène (mode spectromètre).
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un détecteur infra rouge en un matériau semi-conducteur, dans lequel on réalise un gradient de composition dudit matériau par croissance épitaxiale, par exemple par jet moléculaire.
Un gradient de composition peut être obtenu par décentrage d'un substrat d'épitaxie dans un réacteur d'épitaxie. La croissance épitaxiale peut être réalisée sans rotation du matériau, ce qui permet d'accroître la 25 bande spectrale du détecteur. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 représente un élément absorbant selon l'invention, - les figures 2A et 2B représentent des structures linéaires ou bidimensionnelles d'éléments selon l'invention, - les figures 3A à 3C représentent des courbes de réponse de détecteurs ou de pixels voisins ainsi que l'effet de la soustraction de signaux de 2 pixels voisins i et i+1 sur la réponse spectrale d'un dispositif de détection, - la figure 4 représente un dispositif de 10 détection selon l'invention et des moyens associés de traitement du signal, - la figure 5 représente le profil de composition obtenu dans un réacteur d'épitaxie. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 15 Un premier exemple d'un dispositif selon l'invention est illustré sur la figure 1. Un détecteur quantique 2 à semi-conducteur permet la conversion de photons 4 en porteurs (électrons ou trou). Cette absorption de la lumière a 20 lieu uniquement pour des photons dont l'énergie est supérieure à l'énergie du gap dudit semi-conducteur, ou dont la longueur d'onde est inférieure à la longueur d'onde de coupure du matériau semi-conducteur considéré. 25 Dans le cas de certains semi conducteurs utilisés pour la détection optique (c'est le cas par exemple pour In,Gal_XAs ou CdXHg1_XTe) , cette longueur de coupure est déterminée par la composition x de l'alliage.
Une épitaxie (en phase liquide, ou par jet moléculaire (EJM), ou par CVD...) permet de générer et de contrôler un gradient de composition latéral (suivant la direction X de la figure 1) dans une couche 2 d'un tel matériau. Une variation suivant deux directions peut aussi être réalisée. A l'échelle des pixels ou peut cependant approximer localement le gradient suivant une seule direction. Une barrette 20 (figure 2A) ou une matrice 200 (figure 2B) de détecteurs en un tel matériau présente donc une variation transverse de longueur d'onde de coupure (selon une direction X) que l'on peut caractériser et/ou contrôler. Dans le cas de la figure 2A, il y a un gradient dans chacun des plots i, i+1, etc... suivant la direction X, mais la réponse du pixel est globale, donc moyennée sur la longueur d'onde variable et cette réponse sera différente de celle du pixel voisin. Cette variation de longueur d'onde de coupure peut ensuite être exploitée afin d'obtenir une information sur le spectre du rayonnement. Ainsi, dans le cas d'une barrette 20 de N éléments (figure 2A), parallèle au gradient de composition, l'écart en longueur d'onde entre deux pixels sera à sa valeur maximale. Plus l'axe de la barrette s'écartera de la direction de gradient, plus cet écart sera faible jusqu'à s'annuler complètement quand l'axe de la barrette sera perpendiculaire à l'axe du gradient. Deux pixels voisins détectent chacun dans une bande légèrement différente de celle de l'autre pixel :
• Le pixel i de longueur d'onde de coupure supérieure X^1 donne un signal S1, • Le pixel i+l de longueur d'onde de coupure supérieure Xci+1 donne un signal Si+1 Si la longueur d'onde de coupure inférieure Xinf est identique pour les deux pixels (elle est par exemple limitée par un filtre extérieur au plan focal, ou par une couche filtrante déposée sur ce plan focal), la différence Di = (Si+l - Si) des signaux issus des ces pixels correspond à la réponse qu'aurait un pixel de bande spectrale [Xci+l ;X'], comme représenté en figure 3C, les figures 3A et 3B représentant les courbes de réponse R1(X), R1+1(X), respectivement des détecteurs i et i+l.
On obtient ainsi par soustraction successive des pixels voisins des signaux correspondant aux bandes spectrales [ Xc2,, Xc1]r [X c3r, Xc2],.... [ x,cN,,\cN-1 ] Si ce gradient est continu sur toute la barrette 20, on peut alors considérer que le vecteur (Di) (i=l, ,N-1) correspond au rayonnement détecté dans une série de bandes d'égale largeur spectrale et on obtient le spectre du rayonnement avec une résoluticn dX liée à cette largeur spectrale et à la décroissance d'absorption du matériau à la coupure.
Si ce gradient n'est pas continu, une caractérisation de chaque largeur spectrale permet d'en tenir compte dans le calcul du spectre à partir du vecteur D1. L'excursion spectrale d'un tel dispositif ainsi que sa résolution sont donc liées à la valeur du gradient de composition sur toute l'étendue ou la
surface de la barrette, ou aux écarts minimum et maximum en longueur d'onde de coupure disponibles sur l'ensemble des détecteurs. Un exemple d'une géométrie matricielle 200 peut maintenant être donné. Une telle géométrie matricielle permet d'obtenir des informations supplémentaires dues à la géométrie bidirectionnelle. Pour une direction de gradient X proche de l'un des axes de la matrice (par exemple les lignes), l'excursion totale en longueur d'onde est maximale : elle est définie par l'écart des longueurs d'onde entre les pixels extrêmes de la ligne. En revanche, la résolution sera mauvaise puisque définie par le rapport (écart en longueur d'onde/nombre de pixels dans la ligne). A l'inverse, l'excursion totale en longueur d'onde selon l'autre axe de la matrice (voisin de la perpendiculaire à la direction de gradient) est faible et, en revanche, la résolution est très bonne. En combinant ces deux types d'informations suivant chacun des axes de la matrice, on obtient une information avec une résolution élevée sur une grande excursion spectrale.
On peut également réaliser un traitement de l'information issue de la matrice 200 en choisissant une série de détecteurs après caractérisation, afin d'avoir une suite de longueurs d'onde de coupure régulièrement espacées pour l'estimation du spectre du rayonnement.
Cette géométrie matricielle 200 permet un double mode de fonctionnement, en imagerie et en spectrométrie : • Mode imagerie: on place le détecteur dans le plan focal d'un objectif 40 (figure 4) et on peut ainsi faire l'image d'une scène, et/ou une cartographie de la luminance d'une scène ; • Mode spectrométrie: si la luminance observée est uniforme sur toute la matrice 200, le traitement par différence des signaux des différents détecteurs permet un reconstruction du spectre du rayonnement. Ce basculement du mode imagerie au mode spectrométrie peut se faire en pointant la zone visée de la scène au centre de la matrice, puis en utilisant les propriétés de l'objectif afin d'agrandir cette zone de luminance d'intérêt jusqu'à la faire recouvrir toute la surface de la matrice. On peut par exemple faire varier la focale de l'objectif (zoom) et/ou défocaliser légèrement le système optique (pour uniformiser la luminance). La description d'un exemple de moyens de basculement imagerie/spectrométrie est donnée dans le document FR - 2 855 608. Partant de l'architecture d'un plan focal R fonctionnant en imagerie (appelé mode imagerie ), on peut donc modifier la structure dudit plan focal afin d'accéder à un deuxième mode de fonctionnement (dit mode spectrométrique ) qui permet l'accès à une information sur le spectre du rayonnement observé.
D'autres traitements des signaux sont possibles. En effet, au-delà d'une simple différence,
d'autres traitements sont applicables aux signaux d'un tel détecteur afin de reconstruire le spectre de la source en exploitant les différences de longueurs de coupure d'un tel capteur. Par exemple, afin de tenir compte d'éventuelles différences de rendement quantique des différents détecteurs, on peut caractériser finement les réponses au pic des détecteurs afin de corriger des fluctuations de réponse avant de calculer la différence.
Tous ces traitements peuvent se faire dans le plan focal lui-même, ou dans l'électronique de proximité, ou bien dans un calculateur extérieur au capteur. La figure 4 représente, outre un objectif 40, un détecteur comprenant un élément 200 selon l'invention, une chaîne de détection, une chaîne d'amplification et une chaîne de traitement des signaux, par exemple des moyens 21 d'amplification, des moyens électroniques 23 de traitement du signal pour fournir une image ou un spectre 25. Ces moyens comportent par exemple un microordinateur programmé pour effectuer ledit traitement. Un intérêt d'un tel dispositif est lié à sa compacité puisque le spectromètre est inclus dans le plan focal donc directement sur la puce. De plus, une fois caractérisé, le dispositif est fonctionnel tel quel. Il n'y a pas de réglage optique susceptible de se désaligner. Enfin, une géométrie matricielle 200 (figure 2B) est très intéressante, puisqu'elle permet 30 de basculer d'un mode imagerie (système focalisé) à un mode spectroscopie (système défocalisé). On obtient
ainsi une caméra susceptible d'analyser le contenu spectral d'une source de rayonnement. Sur cette figure, les axes de la matrice sont alignés avec les axes X et Y.
Selon un exemple de réalisation, un plan focal IR est réalisable par exemple dans la bande 3,5 pm - 5,5 pm en utilisant une couche en CdXHg1_XTe absorbante 0,28SxS0,36 sur laquelle une technologie (moyens 20 de la figure 4) de détecteur photovoltaïque (PV) classique (en barrette ou en matrice) est réalisée. Dans ce cas, on peut faire croître l'alliage CdXHgl_XTe par épitaxie par jet moléculaire (EJM).
Le gradient de composition de l'alliage CdXHgi_XTe peut être obtenu par un décentrage du substrat dans le réacteur EJM lors de l'épitaxie. En effet, comme illustré sur la figue 5, la zone 30 d'homogénéité du réacteur EJM, qui correspond sensiblement au centre du réacteur, ainsi que ses limites, sont généralement bien connues. Un décentrage du substrat (ou l'utilisation des portions latérale du substrat considéré) permet de contrôler la direction du gradient (généralement radiale par rapport au centre du réacteur) ainsi que sa valeur. Deux zones 31, 33 de gradient sont visibles sur la figure 5. Classiquement on exploite la zone homogène 30 au centre du réacteur. Au contraire, on exploite ici la ou les zones latérales 31, 33 (zone de gradient) où la composition x de l'alliage déposé varie spatialement en fonction de la distance d au centre du réacteur.
Le gradient de composition (dans un même détecteur tel que le détecteur 2 de la figue 1) typiquement observé dans un réacteur optimisé pour l'homogénéité correspond à une différence min-max de longueur d'ondes de coupure de l'ordre de 4A = 1 pm à 77K (longueur d'onde de coupure de 4pm à 5pm par exemple). On peut obtenir un gradient supérieur: • Par exemple, pour améliorer l'homogénéité du matériau, le substrat tourne dans le réacteur lors de l'épitaxie. Une croissance épitaxiale sans cette rotation permet de gagner jusqu'à un facteur 2 sur le gradient de composition (d'où une largeur spectrale LA = 2 pm).
Une ou des modifications des cellules sources pour les espèces épitaxiées, par exemple une diminution du nombre et/ou du diamètre des buses du dispositif d'épitaxie, permet(tent) également de gagner jusqu'à un facteur 2 ou plus sur le gradient (d'où une largeur spectrale 4A qui peut aller jusqu'à 4 ou 5 pm). Une telle optimisation permet de détecter un rayonnement dans une gamme spectrale de 2,5 pm à 5,5 pm, correspondant à la fenêtre de transmission atmosphérique MWIR (infra rouge moyen) ; la résolution peut être de l'ordre de dÀ=30nm, par exemple pour une barrette 20 d'une centaine de pixels au pas p (le pas p de la figure 2A) de 30 pm, le matériau étant du CdxHgl_ xTe (0,28<-x<_0,4). On peut aussi utiliser le matériau InxGal_xAs dans la gamme 1,6 pm - 2,6 pm pour 0,53<_x<_0,82.
Claims (12)
1. Elément (2) de matériau semi-conducteur pour absorber des photons incidents (4), caractérisé en ce que la largeur et/ou la longueur d'onde centrale de la bande spectrale d'absorption du matériau semi-conducteur varie spatialement.
2. Elément selon la revendication 1, dans lequel le matériau semi-conducteur est choisi parmi le CdXHgl_XTe ou le In,Gal_XAs.
3. Elément selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la variation de la largeur et/ou de la longueur d'onde centrale de la bande spectrale est réalisée par variation spatiale de composition du matériau semi-conducteur.
4. Barrette (20) d'éléments de détection semi conducteurs, comportant une pluralité d'éléments (i, i+1) de détection selon l'une des revendications 1 à 3 disposés alignés selon un axe (X).
5. Matrice (200) d'éléments de détection semi conducteurs, comportant une pluralité d'éléments de détection selon l'une des revendications 1 à 3 disposés selon un plan.
6. Dispositif de détection de photons 30 comportant un élément ou une barrette d'éléments ou une matrice d'éléments selon l'une des revendications 1 à 5, et des moyens (21, 23) pour mesurer la quantité de photons absorbés localement par le matériau (2).
7. Dispositif selon la revendication 6, comportant en outre des moyens pour faire basculer le dispositif entre un mode de fonctionnement de type imagerie et un mode de fonctionnement de type spectromètre.
8. Procédé de réalisation d'un détecteur infra rouge en un matériau semi-conducteur, dans lequel on réalise un gradient de composition dudit matériau par croissance épitaxiale.
9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le matériau semi-conducteur est de type I:n,Gal_XAs ou Cd,Hgl_XTe.
10. Procédé selon l'une des revendications 20 8 ou 9, dans lequel la croissance épitaxiale est réalisée par jet moléculaire.
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le gradient est obtenu par 25 décentrage d'un substrat d'épitaxie dans un réacteur d'épitaxie.
12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, dans lequel la croissance épitaxiale est 30 réalisée sans rotation du matériau.
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