FR2977937A1 - Detecteur bolometrique a performances ameliorees - Google Patents

Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne un détecteur bolométrique pour la détection thermique d'un rayonnement lumineux dans une bande spectrale donnée, comprenant un substrat de support et un ensemble de microbolomètres (300) de dimensions données, agencés sous forme d'une matrice. Chacun desdits microbolomètres comprend une membrane (301) suspendue au dessus dudit substrat de support, ladite membrane étant constituée d'un élément absorbeur (305) de la radiation incidente et d'un élément thermométrique (304) en contact thermique avec l'absorbeur, isolé électriquement dudit élément absorbeur. L'élément absorbeur comprend au moins une première structure métal - diélectrique - métal (MIM) comprenant un empilement de trois couches superposées, d'épaisseur submicronique, dont une première couche métallique (311), une couche en matériau diélectrique (310) et une deuxième couche métallique (309), ladite structure MIM étant apte à générer avec ledit rayonnement incident une résonance plasmonique à au moins une longueur d'onde de ladite bande spectrale. La surface du microbolomètre recouverte par ladite membrane (301) est inférieure à la moitié de la surface totale du microbolomètre.

Description

Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un détecteur bolométrique formé d'une 5 matrice de microbolomètres à performances améliorées, notamment pour la détection dans l'infrarouge. Etat de l'art Les détecteurs infrarouges non refroidis sont, depuis plusieurs décennies, l'objet d'études et de développements intensifs. Parmi eux, le 10 microbolomètre résistif connaît aujourd'hui un essor extrêmement important, notamment dans les applications civiles (domotique, aide à la conduite automobile ou au pilotage aérien, vision de nuit, diagnostic de départs de feux, etc.). Il est particulièrement adapté à la détection dans l'infrarouge, et plus particulièrement dans la bande III (8 - 12 µm), correspondant à l'une des bandes spectrales de transmission 15 de l'atmosphère dans laquelle peut être observée l'émission thermique des objets à température ambiante ou celle de êtres vivants. Comme représenté sur la figure 1, un microbolomètre comprend principalement une membrane 101 formant un ensemble absorbeur-thermistor, avec un élément absorbeur et un élément thermométrique ou thermistor, en très bon 20 contact thermique avec l'élément absorbeur, et un substrat de support 103 au-dessus duquel est suspendue la membrane 101. Il comprend également des bras d'isolation thermique 106 et des éléments de connexion électrique 114 pour le contact électrique de l'élément thermométrique avec des plots 115 du substrat de support. Le substrat de support, par exemple en silicium, assure la rigidité mécanique du microbolomètre 25 et comporte des circuits (non représentés sur la figure 1) de polarisation et de lecture de la résistance de l'élément thermométrique. L'ensemble absorbeur-thermistor est suspendu au-dessus du substrat de support 103 par des éléments d'ancrage, qui dans l'exemple de la figure 1, sont également les éléments de connexion électrique 114. L'absorption du flux de photons incidents dans l'absorbeur tend à augmenter sa 30 température. Le thermistor permet une mesure électrique de cette variation de température. L'isolation thermique de l'ensemble absorbeur-thermistor par rapport à son substrat de support (au moyen des bras d'isolation thermique et du vide d'isolation maintenu autour de l'ensemble absorbeur-thermistor), augmente la sensibilité du dispositif en augmentant, pour un flux de photons donné, l'élévation de température du bloc absorbeur-thermistor. Les figures 2A et 2B représentent de façon schématique un microbolomètre de type connu, respectivement selon une vue de dessus et une vue de coupe. Une membrane 201 formant le bloc absorbeur-thermistor est suspendue au-dessus d'un substrat de support 203 au moyen d'éléments d'ancrage (non représentés) et de bras d'isolation thermique 206 qui forment également des éléments de connexion électrique avec des plots de connexion 215 du substrat de support.

Dans cet exemple, la membrane 201 formant le bloc absorbeur-thermistor comprend d'une part un élément absorbeur 205 (figure 2B) et d'autre part un élément thermométrique 204 en très bon contact thermique avec l'absorbeur. L'absorbeur dans les technologies classiques est constitué d'une fine couche de métal. Le thermistor est généralement une résistance constituée d'un matériau choisi pour sa forte variation de résistivité avec la température, comme par exemple un oxyde de vanadium (VOx) ou du silicium amorphe (a-Si). Les bras d'isolation thermique sont par exemple constitués de liens mécaniques et électriques de faible conductance thermique plaçant l'ensemble absorbeur-thermistor en suspension dans un vide d'isolation.

Il est par ailleurs connu de placer la membrane formant le bloc absorbeur-thermistor à une distance d = Xo/4 d'un miroir 202 (ou 102 sur la figure 1), Xo étant la longueur d'onde centrale de la bande spectrale de détection, pour former une cavité quart d'onde permettant une absorption élevée, typiquement 90% sur toute la bande III de transmission atmosphérique allant de 8 à 12µm. Un tel dispositif est par exemple décrit dans la demande de brevet WO2002/055973 qui divulgue une matrice de microbolomètres à large bande spectrale d'absorption. L'article de Maier et al. (« Wavelength-tunable microbolometers with metamaterial absorbers », Optics letters, Vol. 34, N°19) décrit au contraire un microbolomètre présentant une sélectivité spectrale contrôlée. Le microbolomètre ainsi décrit comprend un élément thermométrique formé d'un film de silicium amorphe entre deux couches de nitrure de silicium, le film étant recouvert d'un ensemble d'éléments absorbeurs constitués d'empilements métal-diélectrique-métal, à section carrée, arrangés sous forme d'une matrice à deux dimensions, et présentant une absorption résonante dans l'infrarouge. L'empilement métal-diélectrique-métal (autrement appelé « MIM », abréviation de Métal-Isolant-Métal) permet par le choix des dimensions latérales de chaque élément absorbeur, d'exciter des résonances plasmoniques à des longueurs d'onde données de la bande spectrale, permettant ainsi de conférer une sélectivité spectrale au microbolomètre. Cette sélectivité spectrale se fait cependant au détriment de la sensibilité, l'absorption étant limitée à une partie de la bande spectrale de la radiation incidente, et au détriment du temps de réponse, la masse à échauffer ayant augmentée. Un détecteur bolométrique destiné à être utilisé dans une caméra d'imagerie, peut être fabriqué sous forme d'une matrice des microbolomètres tels que précédemment décrits, appelés également dans la suite de la description éléments de détection ou « pixels » bolométriques. Chaque pixel bolométrique est alors séparé de ses voisins par une marge d'isolation électrique et thermique. Les pixels bolométriques présentent donc sur une partie de leur aire une surface insensible au flux de photons incidents, composée des bras d'isolation thermique, des éléments de contact électrique avec le substrat de support et de la marge d'isolation. La mesure de l'effet généré sur la sensibilité du microbolomètre par la présence de cette surface insensible au flux incident est donnée par le taux de remplissage défini dans la présente description par le rapport entre l'aire de la surface d'absorption 207 (qui est celle de la membrane 201 formant le bloc absorbeur - thermistor dans l'exemple de la figure 2A) et celle de l'aire totale du pixel bolométrique (représenté par le cadre 213 sur la figure 2A). On peut montrer qu'en première approximation, l'échauffement AT (en Kelvin) qui mesure en régime stationnaire l'élévation de température de l'élément thermométrique sous l'action du flux incident et le temps de réponse t du microbolomètre (en secondes) sont donnés par : AT11.A.Rth.P T -Cth.(Équation 1) (Équation 2) où r), strictement compris entre 0 et 1, est le taux d'absorption de l'énergie lumineuse incidente par l'élément absorbeur, P est le flux incident (en W/m2), A est l'aire de la membrane, Cth est la capacité thermique de l'élément thermométrique (en J/K), Rth est la résistance thermique (en K/W) de l'ensemble des éléments faisant la liaison thermique entre l'élément thermométrique et le substrat de support, dont notamment les bras d'isolation thermique.

L'échauffement (AT) mesure l'élévation de température de la membrane sous l'action du flux lumineux incident. Il est traduit en signal électrique par le thermistor. Le signal électrique mesuré est donc proportionnel à la quantité de photons incidents sur la surface d'absorption du pixel bolométrique et à un facteur appelé réponse du pixel bolométrique, proportionnel à la résistance thermique Rth. La sensibilité du pixel bolométrique, qui représente la plus petite différence de flux optique détectable, dépend en première approximation de la réponse. L'augmentation de la résistance thermique Rth entraîne ainsi une amélioration de la sensibilité au détriment du temps de réponse qui augmente.

Au premier ordre, la conception d'un pixel bolométrique répond donc à un compromis lié au partage de sa surface entre la surface de la membrane formant le bloc absorbeur - thermistor et celle de 1«< isolateur thermique » formé des différents éléments formant l'isolation thermique (par exemple, les bras d'isolation thermique et la marge d'isolation). En effet, en privilégiant la surface de la membrane absorbeur - thermistor, on augmente le nombre de photons absorbés (produit PxA dans l'équation 1) mais la mauvaise isolation thermique (Rth faible) conduit à une faible élévation de température. A contrario, un isolateur thermique occupant plus d'espace sera plus efficace mais le nombre de photons absorbés sera diminué. La conception d'un pixel bolométrique doit également répondre à une exigence de minimisation de l'aire des autres parties non absorbantes (éléments de connexion électrique par exemple). Les matrices de pixels les mieux optimisées présentent ainsi actuellement un taux de remplissage de presque 100% pour des sensibilités dans l'infrarouge de l'ordre de 45 mK et des pixels bolométriques de moins de 20 µm (voir par exemple J.L. Tissot « High performance Uncooled amorphous silicon VGA IRFPA with 17 µm pixel-pitch », Proceedings of SPIE Vol. 7660 76600T-1 (2010)). Ces matrices de pixels bolométriques sont essentiellement utilisées pour l'imagerie dans l'infrarouge thermique (longueurs d'onde comprises dans les bandes II et III de l'infrarouge, respectivement entre 3-5 et 8-12 µm). Elles présentent deux avantages majeurs sur leurs concurrents réalisés à base de détecteurs quantiques.

D'une part, elles fonctionnent à température ambiante ce qui permet de réduire considérablement les coûts de fabrication et de fonctionnement des caméras qui les utilisent. D'autre part, elle sont fabriquées dans une technologie compatible avec celle de la micro-électronique silicium ce qui permet de réaliser les matrices de pixels directement sur le circuit de lecture réalisé en technologie CMOS. La technologie de type micro-électronique et la connexion directe avec le circuit de lecture permettent la réalisation à très faible coût de grandes matrices (typ. 1024x768). Grâce au cumul de ces deux avantages les matrices de pixels bolométriques donnent accès à une imagerie infrarouge de beaucoup plus faible coût que celle basée sur des détecteurs quantiques. Ainsi, les détecteurs bolométriques commercialisés aujourd'hui bénéficient d'une technologie mature qui a poussé à l'extrême l'exploitation de ses capacités intrinsèques. En particulier, ils sont capables d'absorber plus de 90% du rayonnement incident sur la bande 8-14tm et leur facteur de remplissage, c'est-à-dire le rapport entre l'aire sensible sur l'aire totale de la matrice de détecteurs, est proche de 100%. Les détecteurs bolométriques restent toutefois pénalisés par leurs performances limitées principalement en sensibilité et en temps de réponse. Par ailleurs, la demande actuelle du marché qui vise à réduire la taille du pixel jusqu'à des tailles proches de la longueur d'onde, accroît encore la question de la sensibilité du détecteur. En effet, l'augmentation de l'isolation thermique pour compenser la réduction de surface des petits pixels va se faire au détriment du taux de remplissage. Devant les nouvelles contraintes imposées par les applications de l'imagerie infrarouge (domotique, vision nocturne, détection incendie...), tant en matière de sensibilité que de taille de pixel, il y a aujourd'hui un réel besoin de rupture technologique pour augmenter leur potentiel, tout en maintenant leurs atouts, notamment leur fonctionnement à température ambiante et leur faible coût. Un objet de la présente invention est de proposer un détecteur bolométrique dans lequel l'absorption des photons incidents dans chacun ses microbolomètres est réalisée par des structures MIM, et dont la conception permet de modifier de façon drastique le couplage de l'absorbeur avec l'onde incidente afin de pouvoir augmenter la surface occupée par l'isolateur thermique tout en gardant un taux de remplissage proche de 1. Cette rupture conceptuelle permet de revisiter le compromis entre absorption optique, isolation thermique et masse pour améliorer la sensibilité et/ou le temps de réponse du bolomètre. Un autre objet de l'invention est de permettre la réalisation de pixels bolométriques de très petites dimensions (typiquement de l'ordre de la longueur d'onde), inaccessibles avec les technologies actuelles si l'on cherche à conserver une bonne sensibilité.

Résumé de l'invention Selon un premier aspect, l'invention concerne un détecteur bolométrique pour la détection thermique d'un rayonnement lumineux dans une bande spectrale donnée, comprenant un substrat de support et un ensemble de microbolomètres de dimensions données, agencés sous forme d'une matrice, chacun desdits microbolomètres du détecteur bolométrique étant caractérisé en ce que : - il comprend une membrane suspendue au dessus dudit substrat de support par des éléments de support, ladite membrane étant constituée d'un élément absorbeur de la radiation incidente et d'un élément thermométrique en contact thermique avec l'absorbeur, isolé électriquement dudit élément absorbeur, - il comprend des éléments de connexion électrique dudit élément thermométrique avec le substrat de support, - l'élément absorbeur comprend au moins une première structure métal - diélectrique - métal (MIM) comprenant un empilement de trois couches superposées, d'épaisseur submicronique, dont une première couche métallique, une couche en matériau diélectrique et une deuxième couche métallique, ladite structure MIM étant apte à générer avec ledit rayonnement incident une résonance plasmonique à au moins une longueur d'onde de ladite bande spectrale, - la surface du microbolomètre recouverte par ladite membrane est inférieure à la moitié de la surface totale du microbolomètre. La surface effective d'absorption d'une structure MIM optimisée pour le couplage à une longueur d'onde donnée est très supérieure à la surface réelle occupée par ladite structure. En choisissant de limiter la surface du microbolomètre recouverte par la membrane à moins de la moitié de la surface totale du microbolomètre, on augmente la surface de l'isolateur thermique sans diminuer la surface d'absorption. Il en résulte une sensibilité accrue pour le microbolomètre, sans augmentation du temps de réponse, la masse de l'élément thermométrique étant limitée. Avantageusement, chacun desdits microbolomètres peut comprendre en outre des bras d'isolation thermique agencés entre l'élément thermométrique et le substrat de support. Du fait du gain de place résultant du faible encombrement de la membrane constituée de l'absorbeur et de l'élément thermométrique, il est possible de former des bras d'isolation thermique sur une longueur suffisante pour augmenter significativement la résistance thermique et de ce fait favoriser la sensibilité du microbolomètre. Alternativement, la longueur des bras d'isolation thermique peut être réduite pour limiter le temps de réponse. Avantageusement, les bras d'isolation thermique forment pour partie des éléments de support de la membrane. Ils peuvent également former des éléments de connexion électrique de l'élément thermométrique.

Selon une variante, les bras d'isolation thermique et/ou l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres sont formés dans un film structuré. Selon une variante, un même film peut être utilisé pour former les bras d'isolation thermique et/ou l'élément thermométrique. Dans ce cas, avantageusement, le film dans sa partie formant les bras d'isolation thermique présente une conductivité électrique accrue par rapport à celle du film dans sa partie formant l'élément thermométrique. Cette conductivité électrique accrue est par exemple obtenue par exemple par dopage local du film. Selon une variante, l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres est structuré sous forme d'un serpentin, de longueur beaucoup plus grande que la section, permettant ainsi d'augmenter sa contribution à la résistance électrique totale, et de ce fait d'augmenter la sensibilité des microbolomètres. Selon une variante, l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres comprend un matériau ou un empilement de matériaux choisis parmi le silicium amorphe, un composé à base de Vanadium, un alliage Si-Ge. Selon une variante, tous les pixels bolométriques du détecteur sont identiques. Alternativement, des pixels bolométriques peuvent être différents les uns des autres et présenter des structures MIM dont les longueurs d'onde de résonance sont différentes, afin de réaliser des détecteurs multispectraux et/ou adaptées à l'absorption de l'onde incidente dans des polarisations différentes. Selon une variante, ladite première structure MIM d'au moins un desdits microbolomètres est agencée sensiblement au centre du microbolomètre. Il peut s'agir par exemple d'une structure à section sensiblement carrée, dont la dimension latérale est déterminée par la longueur d'onde d'absorption recherchée. La surface effective d'absorption, de l'ordre du carré de la longueur d'onde, est supérieure à celle de la section de la structure MIM et peut être ajustée pour couvrir la quasi-totalité de la surface du microbolomètre. Il est ainsi possible de réaliser un détecteur bolométrique avec des pixels bolométriques de taille réduite, typiquement de l'ordre de la longueur d'onde, présentant un espace suffisant pour assurer l'isolation thermique, le détecteur bolométrique étant insensible à la polarisation de l'onde incidente. Selon une variante, l'élément absorbeur d'au moins un desdits microbolomètres peut comprendre une pluralité desdites structures MIM disposées 10 sur la surface du microbolomètre. Par exemple, lesdites structures sur un microbolomètre donné sont identiques, réparties sur la surface du microbolomètre ; par exemple, les structures MIM sont de section carrée, optimisées pour l'absorption à une longueur d'onde donnée du spectre d'absorption recherché, permettant la réalisation d'un 15 microbolomètre de plus grande taille, la surface effective d'absorption de l'ensemble des structures MIM permettant de couvrir la totalité ou quasi- totalité de la surface du microbolomètre. Alternativement, au moins deux desdites structures MIM sur un microbolomètre donné sont différentes, aptes à générer avec ledit rayonnement 20 incident une résonance plasmonique à au moins deux longueurs d'onde distinctes de ladite bande spectrale, permettant ainsi de « sculpter » la réponse spectrale du microbolomètre. Selon une variante, l'élément absorbeur d'au moins un desdits microbolomètres comprend au moins une deuxième structure MIM superposée à 25 ladite première structure MIM, lesdites première et deuxième structures étant aptes à générer avec ledit rayonnement incident une résonance plasmonique à au moins deux longueurs d'onde distinctes de ladite bande spectrale et présentant une couche métallique commune. Cette configuration permet de sculpter la réponse spectrale du microbolomètre, même dans le cas de petits pixels, les structures étant empilées, par 30 exemple au centre du pixel. Les structures MIM sont avantageusement de section carrée avec une dimension latérale adaptée pour optimiser l'absorption à une longueur d'onde de la bande spectrale d'intérêt. En pratique, la dimension latérale de ladite structure MIM est inférieure ou égale à X.,/2n, où Xmax est la longueur d'onde maximale de ladite bande spectrale et n l'indice du matériau diélectrique de la couche en diélectrique de ladite structure MIM. De structures MIM de section carrée permettent d'être insensibles à la polarisation. Alternativement, les structures MIM peuvent être de section rectangulaire, au moins une dimension latérale de ladite structure MIM étant inférieure ou égale à X ./2n. Dans ce cas, la structure est sensible à la polarisation. Les deux dimensions latérales peuvent être ajustées pour obtenir une absorption résonante à deux longueurs d'onde distinctes de la bande spectrale d'intérêt. L'une le sera pour la polarisation TE, l'autre pour la polarisation TM. Alternativement, une seule dimension latérale peut être ajustée pour obtenir une absorption résonante à une longueur d'onde, l'autre dimension latérale étant par exemple beaucoup plus grande, par exemple de l'ordre de la dimension latérale du pixel, et le détecteur ne sera sensible qu'à une seule polarisation, formant de ce fait un filtre polarisant. D'autres formes sont possibles pour la structure MIM, par exemple des formes triangulaires ou hexagonales, permettant d'ajuster la réponse en polarisation du détecteur. Avantageusement, dans chacun de ces cas, au moins une dimension latérale de ladite structure MIM est inférieure ou égale à X.,/2n. Selon une variante, le matériau formant la couche en diélectrique de la dite structure MIM de chacun desdits microbolomètres est choisi parmi le sulfure de Zinc (ZnS), Trifluorure d'Yttrium (YF3), Nitrure de Silicium (SiNx), Oxyde de Silicium (SiOx), alliage de Nitrure et d'Oxyde de silicium (SiOxNy), Germanium amorphe (a-Ge), Silicium amorphe (a-Si), alliage de Silicum et Germanium amorphes (a-SiGe). Selon une variante, le matériau formant la première ou la deuxième couche métallique de la dite structure MIM de chacun desdits microbolomètres est choisi parmi l'or, le cuivre, l'aluminium, l'argent. Une couche d'accroche, apr exemple en titane ou en chrome, peut être prévue entre la couche métallique et la couche en matériau diélectrique pour assurer une meilleure adhérence entre ces couches.

Selon une variante, l'élément thermométrique est isolé de l'élément absorbeur par un film isolant électriquement. Avantageusement, chacun desdits microbolomètres comprend en outre un réflecteur disposé à une distance d du plan de ladite membrane pour former une cavité résonante à ladite longueur d'onde. Ainsi, la plus grande partie de l'énergie lumineuse sera absorbée dans la structure, et les pertes d'énergie par transmission seront nulles. Selon une variante, le substrat de support comprend un circuit de lecture de la résistance électrique de l'élément thermométrique de chacun des 5 microbolomètres. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une caméra pour la détection infrarouge comprenant une optique de formation d'image, un détecteur bolométrique selon le premier aspect, positionné au voisinage d'un plan focal de ladite optique et une unité de traitement des signaux délivrés pas le circuit de lecture 10 du détecteur. Selon un troisième aspect, l'invention concerne une méthode de réalisation d'un détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : - le dépôt sur un substrat de support d'une couche sacrificielle ; 15 - la formation d'ouvertures dans ladite couche à l'endroit des éléments d'ancrage des microbolomètres, - le dépôt d'un film, structuré afin de définir pour chaque microbolomètre l'élément thermométrique et les bras d'isolation thermique, 20 - le dépôt de la ou les structure(s) MIM sur chacun des éléments thermométriques formés, - le retrait de la couche sacrificielle. Avantageusement, la méthode comprend avant le dépôt de la couche sacrificielle, une étape de dépôt d'un film réfléchissant structuré pour former pour 2 5 chacun des microbolomètres un élément réflecteur. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent : 30 La Figure 1 (déjà décrite), une vue en perspective d'un microbolomètre selon un premier art antérieur ; Les figures 2A et 2B (déjà décrites), des schémas respectivement de dessus et en coupe d'un microbolomètre selon un second art antérieur ; Les figures 3A et 3B, des schémas respectivement de dessus et en coupe d'un microbolomètre selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 4A, un schéma d'un exemple de réalisation d'un absorbeur utilisant une structure MIM unique, adapté pour un microbolomètre selon l'invention, la figure 4B, une courbe montrant l'absorption obtenue avec cette structure en fonction de la longueur d'onde, les figures 4C à 4H, des courbes montrant respectivement la dépendance de l'absorption maximale en fonction de la dimension latérale de la structure (Figure 4C), de l'épaisseur de la couche en diélectrique (Figure 4D), de l'épaisseur de la couche métallique (Figure 4E), de la largeur de la cavité (Figure 4F), de l'angle d'incidence (Figure 4G) et de la période (Figure 4H); La figure 5, un exemple de réalisation d'un film structuré pour former l'élément thermométrique et les bras d'isolation, dans un mode de réalisation d'un microbolomètre selon l'invention ; Les figures 6A à 6C des exemples de structures MIM multiples adaptées à des variantes du microbolomètre selon l'invention ; La figure 7A, un schéma d'un exemple de réalisation d'un absorbeur complexe utilisant une double structure MIM, adapté pour un microbolomètre selon l'invention et la figure 7B une courbe montrant l'absorption en fonction de la longueur d'onde dans l'exemple de la figure 7A; Les figures 8A à 8D, des schémas de dessus de microbolomètres selon d'autres exemples de réalisation de l'invention ; Les figures 9A à 9F des schémas montrant les étapes d'un procédé de fabrication d'un microbolomètre, selon un exemple de réalisation de l'invention ; La figure 10, un schéma montrant une caméra thermique intégrant un détecteur bolométrique équipé de microbolomètres selon l'invention. Description détaillée Les figures 3A et 3B illustrent respectivement par une vue de dessus et une vue en coupe, un premier exemple d'un microbolomètre selon l'invention, pour la détection d'une radiation dont la longueur d'onde est comprise dans une bande spectrale donnée, par exemple dans l'infrarouge. Les éléments représentés dans les figures de la présente description ne sont pas représentés à l'échelle, pour une meilleure lisibilité des dessins. Le microbolomètre 300 comprend une membrane (301, figure 3B) suspendue au-dessus d'un substrat de support 303 par des éléments de support. La membrane 301 est formée d'un élément absorbeur 305 de la radiation incidente et d'un élément thermométrique 304 en contact thermique avec l'absorbeur mais électriquement isolé de celui-ci, par exemple au moyen d'un film isolant, par exemple en nitrure de silicium. Le microbolomètre 300 comprend avantageusement des bras d'isolation thermique 306 de l'élément thermométrique, agencés entre l'élément thermométrique et le substrat de support. Le microbolomètre 300 comprend également des éléments de connexion électrique de l'élément thermométrique avec le substrat de support. Le substrat de support 303 est par exemple en silicium ; il assure la rigidité mécanique du microbolomètre et comporte des circuits (non représentés sur la figure 3) de polarisation et de lecture de la résistance de l'élément thermométrique 304. Les éléments de support comprennent dans l'exemple des figures 3A et 3B les bras d'isolation thermique 306 et des éléments d'ancrage (non visibles sur les figures 3A, 3B). Les éléments d'ancrage comprennent avantageusement au moins un matériau conducteur électrique pour assurer le contact électrique de l'élément thermométrique 304 avec des plots de connexion électrique 315 du circuit de lecture. Avantageusement, les bras d'isolation thermique forment, avec lesdits éléments d'ancrage, des éléments de connexion 2 0 électrique de l'élément thermométrique avec le circuit de lecture du substrat de support. Le cadre 313 délimite le contour extérieur du microbolomètre, de section carrée en général. En pratique, les dimensions extérieures du microbolomètre sont celles du pixel bolométrique tel qu'il sera intégré dans le détecteur bolométrique matriciel, la dimension latérale du pixel bolométrique étant donnée par le ratio de la 25 dimension correspondante du détecteur par le nombre de pixels bolométriques dans la dimension considérée. Dans l'exemple de la figure 3, l'élément absorbeur comprend une structure MIM 305 comprenant un empilement de trois couches, respectivement une première couche en métal 311, une couche en matériau diélectrique 310, et une 30 seconde couche en métal 309, ces trois couches étant superposées. Dans la suite de la description, on appelle matériau diélectrique, un matériau dont la permittivité diélectrique a une partie réelle positive et une partie imaginaire nulle ou très faible devant la partie réelle aux longueurs d'onde des radiations de la bande spectrale d'intérêt. Le matériau diélectrique est donc transparent ou faiblement absorbant aux longueurs d'onde de la bande spectrale considérée. Les métaux formant les couches métalliques de part et d'autre de la couche en matériau diélectrique sont quant à eux des métaux ou matériaux à permittivité diélectrique c négative présentant peu de pertes dans les longueurs d'onde considéréres, comme par exemple l'or, l'argent, l'aluminium ou le cuivre. Du fait que l'on cherche à maximiser l'absorption dans la structure absorbante, une fine couche d'accroche, par exemple en titane ou en chrome, est acceptable pour favoriser l'accroche entre le matériau métallique et le matériau diélectrique, ou entre le matériau métallique et la couche isolante, s'il y en existe une entre l'élément absorbeur et l'élément thermométrique. Cette couche d'accroche permet un plus grand choix dans les matériaux utilisés en y incluant ceux qui présentent entre eux une plus faible adhérence. La section de la structure MIM 305 est avantageusement sensiblement rectangulaire, préférentiellement carrée, présentant au moins une dimension latérale déterminée pour générer une résonance plasmonique avec une radiation incidente de fréquence comprise dans ladite bande spectrale. Avantageusement, les couches sont de dimensions latérales sensiblement identiques. Les épaisseurs des couches métallique 309 et 311 et diélectrique 310 sont submicroniques, avantageusement déterminées pour générer avec la radiation incidente des résonances plasmoniques couplées aux interfaces métal diélectrique, comme cela sera décrit en détails par la suite. La structure MIM est positionnée par exemple au voisinage du centre du pixel bolométrique 300. L'élément thermométrique 304 présente dans cet exemple des dimensions latérales sensiblement identiques à celles de l'élément absorbeur. Avantageusement, le substrat de support 303 est recouvert d'un réflecteur 302, par exemple en Or ou en Aluminium, espacé d'une distance d de la structure MIM, la distance d étant choisie pour former une seconde cavité entre le plan de l'absorbeur MIM 305 et le réflecteur. La distance d, choisie de l'ordre de X/4 dans les microbolomètres de l'art antérieur, pourra être optimisé pour prendre en compte les mécanismes de résonance plamonique, comme cela sera décrit par la suite.

Avantageusement, l'élément thermométrique 304 et les bras d'isolation 306 sont faits dans un même matériau ou empilement de matériaux. Avantageusement, on choisira un matériau présentant une résistance électrique qui varie fortement avec la température. Typiquement, on choisira un matériau présentant une variation relative de la résistance électrique de l'ordre de ±2%/K et un faible niveau de bruit. Le matériau pourra par exemple être choisi parmi le silicium amorphe (a-Si), un alliage de Silicium et de Germanium, ou un composé à base d'Oxyde de Vanadium. Les figures 4A à 4G illustrent plus en détail l'optimisation d'une structure MIM pour un absorbeur d'un microbolomètre selon l'invention. La figure 4A représente de façon générale un ensemble de structures MIM 405 de forme rectangulaire, présentant une première dimension latérale wi et une seconde dimension latérale w2, la structure MIM faisant face à un réflecteur 402 déposé sur le substrat de support (non représenté) du microbolomètre, et situé à une distance d de l'absorbeur 405. On suppose la dimension w2 très supérieure à la dimension wi de telle sorte que les structures MIM peuvent être considérées comme des bandes semi infinies, seule la dimension latérale wi étant caractéristique pour la définition de la longueur d'onde de résonance. Typiquement, l'élément absorbeur pourra s'étendre dans sa plus grande dimension sur la quasi-totalité de longueur du pixel. Chaque élément absorbeur 405 comprend un empilement de trois couches métal - diélectrique - métal. Sur la figure 4A, seules sont représentées les structures MIM de deux pixels bolométriques, chaque structure MIM étant positionnée au voisinage du centre d'un pixel. Les autres éléments du microbolomètre (élément thermométrique, bras d'isolation thermique, connexions électrique, substrat, etc.) ne 2 0 sont pas représentés. Les structures MIM 405, du fait de l'arrangement matriciel des pixels bolométriques, sont agencées de façon périodique avec une période p de valeur égale à la dimension d'un pixel. Il est connu (voir par exemple Le Perchec et al. "Plasmon-based photosensors comprising a very thin semiconducting region", applied Physics letters 25 94, 181104 (2009) ou la demande de brevet français FR 2940522) qu'une structure MIM en forme de ruban (présentant une longueur très grande devant sa largeur) se comporte, en première approximation, comme une cavité Fabry-Pérot longitudinale entre les deux lames de métal, la longueur d'onde de résonance Xr de la cavité étant donnée par: 30 À = 2fl ffw (équation 3) où w est la dimension latérale (ou largeur) de la structure MIM et neff est l'indice de réfraction effectif du matériau diélectrique. La valeur de l'indice effectif étant nécessairement supérieure à 1, il apparaît au vu de l'équation 3 que la dimension latérale de la structure MIM doit être inférieure à la moitié de la longueur d'onde de résonance recherchée. En pratique, on cherchera à optimiser la structure pour atteindre des indices effectifs nettement supérieurs à 1. Notamment, on choisira des matériaux diélectriques à fort indice. Par exemple, pour une optimisation de la structure dans la bande III, on pourra choisir un matériau diélectrique parmi le sulfure de Zinc (ZnS), Trifluorure d'Yttrium (YF3), Nitrure de Silicium (SiNx), Oxyde de Silicium (SiOx), alliage de Nitrure et d'Oxyde de silicium (SiOxNy), Germanium amorphe (a-Ge), Silicium amorphe (a-Si), alliage de Silicum et Germanium amorphes (a-SiGe). L'optimisation de la structure se fait au moyen de codes de calcul connus, par exemple RETICOLO SOFTWARE © 1D ou 2D développé par P. Lalanne and J.P. Hugonin (copyright © 2005 IOTA/CNRS) ou le logiciel ©COMSOL Multiphysics développé par la société ®Comsol. Les déposants ont montré qu'une optimisation de la structure pour l'obtention d'une absorption maximale à la longueur d'onde recherchée pouvait se faire de la manière suivante. Dans une première étape, on détermine une estimation de la dimension latérale de la structure, en fonction de la longueur d'onde de résonance recherchée et de l'indice du matériau choisi pour la couche en diélectrique, en se basant sur l'équation (3) et en prenant l'indice réel du diélectrique. Dans une deuxième étape, on cherche une valeur optimale de l'épaisseur de la couche en diélectrique pour rendre maximale l'absoption en choisissant tout d'abord une épaisseur de métal suffisamment grande pour les couches 409, 411 (typiquement supérieure à une centaine de nanomètres). On cherche alors, dans une troisième étape, une valeur optimale de la distance d avec le réflecteur 402 quand celui-ci est présent. On recherche ensuite (quatrième étape) l'épaisseur minimale de métal permettant de garder une absorption totale. Enfin la dimension latérale de la structure w est accordée plus finement afin d'obtenir la longueur d'onde de résonance recherchée (cinquième étape). La figure 4B montre ainsi l'absorption calculée avec des structures MIM du type de la figure 4A, de section rectangulaire, agencées avec une période p, présentant une dimension latérale (largeur) wi et une longueur W2 grande devant la largeur, de telle sorte que la structure peut se modéliser selon un modèle à une dimension. En pratique, on montre que le modèle à une dimension est parfaitement bien adapté pour des bandes dont la longueur est 5 à 10 fois plus grande que la largeur. Pour des structures de section rectangulaire présentant une longeur plus faible, ou des structures de section carré, un logiciel 2D doit être utilisé, les principes d'optimisation décrits précédemment restent cependant les mêmes. La structure MIM est optimisée pour une absorption en bande III, autour de 8,5 µm. Les calculs sont faits en prenant une période p = 7 µm. Dans cet exemple, le métal choisi pour les couches métalliques 411, 409 est l'or et le matériau diélectrique choisi pour la couche 410 est le ZnS, d'indice de réfraction n = 2,2. Les couches sont respectivement d'épaisseur 50 nm (couche 411), 180 nm (couche 410), 50 nm (couche 409), et la distance entre la structure MIM et le réflecteur 402 est d = 4,5 µm. La structure MIM présente une dimension latérale wi = 1,6 µm. La courbe d'absorption montre une absorption maximale de près de 100% et un facteur de qualité, défini comme le rapport de la longueur d'onde maximale d'absorption sur la largeur spectrale à mi-hauteur , de l'ordre de 15. Les figures 4C à 4H montrent respectivement l'influence de la dimension latérale w de la structure, de l'épaisseur de diélectrique, de l'épaisseur des couches de métal, de la distance d entre le plan de la structure et le réflecteur 402, de l'angle d'incidence et de la période, dans une configuration semblable à celle de la figure 4A, et avec les mêmes valeurs de paramètres. Les courbes 441 à 447 de la figure 4C sont obtenues en faisant varier respectivement la dimension latérale wi de l'absorbeur (405, figure 4A) entre 1,7 µm et 2,3 µm par pas de 0,1 µm. On observe un décalage prévisible de la longueur d'onde de résonance vers les grandes longueurs d'onde, la longueur d'onde de résonance passant d'une valeur inférieure à 9µm à une valeur supérieure à 12 µm. Ces courbes montrent aussi que grâce à la finesse spectrale de la résonance (facteur de qualité de l'ordre de 15), une fonction de filtrage spectrale peut être obtenue, toute la bande III pouvant être balayée. La courbe 450 de la figure 4D est obtenue en faisant varier l'épaisseur de la couche 410 en diélectrique, pour une dimension latérale wi = 1,6 µm. Les déposants ont mis en évidence une valeur optimale de l'épaisseur en diélectrique à laquelle l'absorption est maximale. Dans la phase d'optimisation de la structure, il sera donc possible une fois donnée la valeur approximative de la largeur de la structure (équation 3) de déterminer l'épaisseur optimale en diélectrique, avec un diélectrique donné, comme cela a été précédemment décrit. Cette courbe met aussi en évidence une plage d'environ +10% par rapport à la valeur optimale de l'épaisseur du diélectrique, à l'intérieur de laquelle l'absorption est quasi totale.

La courbe 460 de la figure 4E montre l'effet de l'épaisseur des couches métallique 409 et 411 sur l'absorption maximale. Au-delà d'un seuil de valeur donnée, l'absorption est totale. En dessous de ce seuil, l'absorption diminue, la couche de métal n'étant plus assez épaisse pour empecher la lumière de traverser directement la structure MIM. Dans l'optimisation de la structure, on choisira la valeur minimale de l'épaisseur qui permet une absorption maximale, typiquement entre 40 nm et 60 nm dans cet exemple. La courbe 470 de la figure 4F montre la dépendance de l'absorption maximale de la structure en fonction de la distance d entre le plan de l'absorbeur 405 et le réflecteur 402. En l'absence de réflecteur, les déposants ont mis en évidence une reflexion nulle de la structure MIM à la longueur d'onde de résonance mais une absorption non optimisée, une partie de l'énergie étant transmise et non absorbée par la structure MIM. L'optimisation de l'épaisseur de la cavité permet d'assurer que toute l'énergie à la résonance est absorbée et contribue donc à l'échauffement de l'élément thermométrique. Ainsi, dans l'exemple illustré par la figure 4F, on observe une absorption maximale pour une cavité d'épaisseur d compris entre 3,5 µm et 4,5 µm, environ. La figure 4G représente l'absorption maximale en fonction de l'angle d'incidence de la radiation, dans des conditions de calcul similaires à celles utilisées précédemment. On observe que l'absorption reste quasi-totale jusqu'à environ 15° et diminue peu au-delà. Ce résultat est remarquable. En effet, le microbolomètre ainsi réalisé présente une très faible sensibilité à l'angle d'incidence de la radiation incidente, et notamment dans la plage habituelle d'incidence des radiations sur le détecteur.

Les figures 4B à 4G illustrent ainsi l'optimisation de structures MIM pour un diélectrique donné, en bande III de l'infrarouge. Les mêmes procédés d'optimisation pourront être appliqués en fonction du diélectrique choisi, et de la bande spectrale recherchée pour la détection. Par exemple, toujours pour une détection en bande III, si le diélectrique choisi est le germanium, dont l'indice de réfraction est n = 4, une optimisation de la structure en 1D pour une longueur d'onde de résonance de 9µm donne une dimension latérale des bandes w = 1,1 µm, une épaisseur des couches métalliques, par exemple en Or, de 60 nm, une épaisseur de la couche diélectrique de 260 nm, une épaisseur de la cavité d = 4 µm.

Selon une variante, par exemple telle que décrite sur la figure 4A, les structures MIM 405 forment des bandes (longueur W2 grande devant la largeur wi) et l'absorption n'existe qu'en polarisation TM, c'est à dire pour les radiations dont le champ magnétique est parallèle aux lignes. La longueur d'onde de résonance est ajustée par la largeur de la bande, comme cela a été décrit précédemment. Avantageusement, on pourra concevoir des structures MIM de section carrée, de telle sorte à rendre l'absorption indépendante de la polarisation. Dans ce cas, la longueur d'onde de résonance sera ajustable en fonction de la dimension latérale du carré. Un tel exemple est représenté sur la figure 3A. Selon une variante, on pourra concevoir une structure MIM de section rectangulaire, présentant une première dimension latérale wi et une deuxième dimension latérale W2, les deux dimensions étant adaptées pour générer une résonance respectivement à deux longueurs donde de la bande spectrale d'intérêt. Dans ce cas, le fonctionnement du microbolomètre est polarisé, avec une résonance pour chacune des polarisations TE et TM. Il est également possible de répartir sur l'ensemble des pixels bolométriques des structures MIM adaptées pour présenter des résonances à des polarisations différentes, permettant ainsi de couvrir sélectivement différentes polarisation de l'onde incidente pour fournir par exemple deux images d'une scène, l'une en polarisation TE, l'autre en polarisation TM.

Ainsi, le choix de paramètres optimisés pour la structure MIM - épaisseurs des couches en métal et de la couche en diélectrique, nature du matériau diélectrique, dimensions latérales de la structure - permet une absorption de près de 100% à la ou les longueur(s) d'onde de résonance, et cela avec une faible dépendance en fonction de l'angle d'incidence et, au choix, une dépendance ou non à la polarisation. On montre qu'une telle structure MIM se comporte comme une nanoantenne optique. Elle présente des résonances dont la fréquence est détermimée par la géométrie des antennes. À la résonance, on observe, pour une conception adaptée, une absorbion quasi-parfaite. On montre que la surface d'absorption effective de la structure MIM ainsi optimisée est de l'ordre du carré de la longueur d'onde de résonance pour une structure MIM de section carrée. Dans le cas d'une structure MIM de type bande, la section efficace d'absorption 1D est de l'ordre de la longueur d'onde de résonance.

La figure 4H montre la courbe calculée 490 de l'absorption maximale en fonction de la période p, dans une configuration à une dimension du type de la figure 4A, avec un couche en matériau diélectrique de 180 nm (de type ZnS, indice de réfraction n = 2,2), deux couches métalliques en Or d'épaisseur 50 nm, une largeur de cavité d = 4,5 µm et une dimension latérale du ruban wi = 1,7 µm. La longueur d'onde de résonance est de l'ordre de 8 µm. Lorsque la période est plus petite que la longueur d'onde de résonance, il est possible d'absorber l'ensemble des photons incidents et l'absorption est maximale. Quand la période est plus grande que la longueur d'onde de résonance, l'absorption maximale chute. En effet, l'espacement entre les résonateurs (405, figure 4A) est supérieure à leur section efficace. Cette simulation, faite dans une configuration unidimensionnelle, confirme ainsi une section efficace 1D de l'absorbeur de l'ordre de la longueur d'onde. Pour un résonateur carré, la section efficace d'absorption sera de l'ordre du carré de la longueur d'onde de résonance.

La mise en oeuvre de structures MIM optimisées comme cela a été précédemment décrit permet ainsi de limiter la surface de l'absorbeur tout en conservant une surface d'absorption effective de l'ordre du carré de la longueur d'onde. Il est donc possible de réduire la dimension latérale Lp du pixel bolométrique (voir figure 3A) sensiblement à la valeur de la longueur d'onde de résonance pour bénéficier d'une surface d'absorption 307 égale à la surface du pixel (délimitée par le cadre 313 sur la figure 3A), et donc d'un taux de remplissage proche de 100%, alors que la dimension latérale de la membrane constituée de l'absorbeur et de l'élément thermométrique (301, figure 3B) est bien plus petite que celle du pixel. Typiquement, en se référant à l'équation (3), la surface de la membrane 301 formant le bloc absorbeur - thermistor pourra être de l'ordre de (X/2n)2 pour une structure MIM de section sensiblement carrée, où X est la longueur d'onde d'absorption maximale et n l'indice de réfraction du diélectrique. Elle pourra être de l'ordre de Lp.X/2n pour une structure MIM de section rectangulaire dont la largeur vaut X/2n et la longueur sensiblement la taille du pixel. Ainsi dans le premier cas, la surface de la membrane pourra être inférieure au quart de celle du pixel, l'indice de réfraction n du diélectrique étant supérieur à 1. Elle pourra être limitée à la moitié de celle du pixel bolométrique dans le deuxième cas. En pratique, l'indice de réfraction du diélectrique étant supérieur à 1, généralement choisi supérieur à 2 et jusqu'à 5, on conçoit facilement qu'en fonction des paramètres de la structure MIM, la surface de la membrane formant le bloc absorbeur - thermistor pourra être inférieure à 10%, ou moins, de celle du pixel. La réduction significative des dimensions de l'absorbeur peut notamment être utilisée pour concevoir des matrices de détecteurs de faible dimension de pixel (i.e., proche de la longueur d'onde de détection) pour une imagerie infrarouge à forte résolution. Cette réduction des dimensions de l'absorbeur laisse également la possibilité d'une plus grande surface pour l'isolateur thermique (supérieure à 50% de la surface du pixel bolométrique), contrairement aux pixels bolométriques de l'art antérieur dans lesquels la surface de l'absorbeur devait recouvrir la quasi-totalité de celle du pixel. Il est par exemple possible d'augmenter la longueur des bras d'isolation, augmentant ainsi la sensibilité du microbolomètre. Dans le cas d'utilisation de pixels bolométriques de dimensions supérieures à la longueur d'onde moyenne de la bande spectrale d'intérêt, plusieurs structures MIM pourront être agencées sur la surface du pixel, de telle sorte que la surface effective d'absorption couvre toute la surface (comme cela sera montré dans l'exemple de la figure 8D décrit par la suite). Mais dans ce cas également, la surface du pixel bolométrique recouverte par les éléments absorbeurs sera nettement plus petite que la surface totale du pixel, offrant la possibilité d'une grande surface pour l'isolation thermique.

Le gain de place libéré sur la surface du pixel pourra par exemple augmenter la résistance thermique, par exemple en allongeant les bras d'isolation comme cela apparaît sur la figure 3A, permettant ainsi d'augmenter la sensibilité du microbolomètre. Par ailleurs, la surface de l'élément thermométrique, avantageusement limitée à celle de l'absorbeur avec lequel elle est en contact, est réduite; sa masse l'est de ce fait également, ce qui permet de diminuer la capacité thermique de l'élément thermométrique (directement liée à sa masse), et de réduire le temps de réponse. Alternativement, une longueur plus courte des bras d'isolation thermique pourra être choisie si l'on décide de privilégier le temps de réponse.

Selon une variante, l'élément thermométrique d'une part et les bras d'isolation thermique d'autre part peuvent être obtenus au moyen de films structurés. La figure 5 illustre un exemple de microbolomètre dont la surface est délimitée par le cadre 513, et présentant une membrane 501 formant le bloc absorbeur - thermistor. Le thermistor ou élément thermométrique est référencé 504 ; il est en contact avec l'absorbeur, non représenté sur cette figure. Dans cet exemple, un même film comprenant un matériau ou un empilement de matériaux, est structuré pour former d'une part l'élément thermométrique, d'autre part les bras d'isolation. Dans cet exemple, le film dans sa partie formant l'élément thermométrique 504 est structuré de telle sorte à rendre maximale la surface de contact de l'absorbeur avec l'élément thermométrique tout en augmentant la résistance électrique de ce dernier. Par exemple, le film dans sa partie formant l'élément thermométrique 504 est structuré sous forme d'un serpentin dont la longueur est beaucoup plus grande que la section. La résistance électrique totale du microbolomètre est la somme de la résistance électrique de ses bras d'isolation et de celle du thermistor. Or c'est cette dernière qui varie le plus sous l'effet du rayonnement absorbé, la résistance électrique des bras d'isolation ne variant que partiellement sous l'effet du gradient thermique qui se développe entre ses extrémités respectives, reliées d'un coté à l'élément thermométrique et de l'autre coté au point d'ancrage en contact avec le substrat de support. La structuration de l'élément thermométrique permet ainsi d'augmenter sa contribution à la résistance électrique totale et donc d'améliorer la réponse du microbolomètre. Il est également possible d'accroître cette contribution en augmentant la conductivité électrique du film dans sa partie formant les bras d'isolation thermique, par exemple en dopant localement le film par implantation ionique s'il s'agit d'un film semi-conducteur. A titre d'exemple, dans le cas d'un microbolomètre du type de celui illustré sur les figures 3A ou 5 et dont la dimension du côté est choisie égale à 12 µm, des bras d'isolation de 11.tm de large et présentant des espaces d'isolation entre les méandres de 1 µm, la résistance thermique de chaque bras sera alors environ égale à 25 carrés (c'est-à-dire que chaque bras présentera une résistance thermique égale à celle de 25 carrés du même matériau et de même épaisseur, disposés en série). Le serpentin de la figure 5 pourra être formé d'une ligne en serpentin de 0.2 µm de large avec des espaces d'isolation entre les méandres de 0.2 µm pour obtenir une résistance électrique du serpentin de 60 carrés.

Comme on l'a vu, les structures plasmoniques de type MIM optimisées sont le siège de résonances plasmoniques qui permettent La forme de la réponse spectrale d'une structuration MIM peut par ailleurs être dessinée à la demande en combinant plusieurs résonateurs différents. Les exemples décrits ci-dessous en montrent différentes variantes.

Les figures 6A à 6C représentent trois schémas d'un pixel bolométrique présentant une structuration particulière de la membrane formant le bloc absorbeur - thermistor permettant d'ajuster la réponse spectrale du détecteur bolométrique. Sur ces figures, comme sur la figure 4A, seul l'absorbeur et le reflecteur sont représentés.

Dans ces exemples, l'absorbeur MIM est complexe, formé d'une pluralité d'absorbeurs simples résonants à différentes longueurs d'onde. Dans un premier exemple illustré sur la figure 6A, l'absorbeur comprend une pluralité de structures MIM notés 605A à 605D, réparties spatialement sur l'ensemble de la surface du pixel bolométrique. Ces strutures sont dans un même plan, situé à une distance d du réflecteur 602 déposé sur le subtrat de support (non représenté). Chaque structure MIM comprend un empilement de trois couches 609, 610, 611, dont une première couche métallique 611, une couche en matériau diéléctrique 610 et une deuxième couche métallique 609. Préférentiellement, les épaisseurs de ces trois couches seront les mêmes pour les différentes structures MIM.

Chaque structure MIM est optimisée par exemple selon les étapes précédemment décrites pour générer une absorption quasi-totale à une longueur d'onde de la bande spectrale d'absorption recherchée. La longueur d'onde d'absorption est définie notamment par les dimensions latérales des structures MIM. Ainsi, dans cet exemple, les structures MIM sont de section carrée, présentant chacun une dimension latérale différente, pour obtenir une résonance à une longueur d'onde différente de la bande spectrale. Le microbolomètre ainsi obtenu est indifférent à la polarisation. Chaque structure MIM présente une section efficace d'absorption de l'ordre du carré de la longueur d'onde de résonance, et donc beaucoup plus grande, typiquement 4 à 20 fois plus grande, que la surface réelle de l'absorbeur. Dans le détecteur bolométrique comprenant une matrice desdits microbolomètres, chacune des stuctures MIM, du fait de l'arrangement matriciel des pixels (non représenté), se trouvera répétée de façon périodique sur l'ensemble du détecteur bolométrique, avec une période correspondant à la taille du pixel. Une absorption des photons incidents sur l'ensemble de la surface du détecteur bolométrique pourra ainsi être assurée aux longueurs d'onde d'absorption de chacune des structures MIM. Par exemple, avec 4 structures MIM différentes par pixel, optimisées pour 4 longueurs d'onde différentes comme cela est illustré sur la figure 6A, on pourra obtenir une absorption large bande dans la bande spectrale d'intérêt.

La figure 6B représente une variante dans laquelle l'absorbeur 605 est également complexe, avec une pluralité de structures MIM 605A à 605 différentes, mais les structures MIM dans cet exemple, au lieu d'être réparties spatialement sur la surface du pixel, sont empilées les unes sur les autres. Ainsi dans cet exemple, la première couche métallique 611A de la première structure MIM 605A forme la deuxième couche métallique 611B de la deuxième structureMIM 605 B etc. Dans cet exemple, les structures MIM 605A à 605 présentent comme dans l'exemple de la figure 6A des dimensions latérales différentes, permettant l'absorption à différentes longueurs d'onde de la bande spectrale d'utilisation du détecteur. Avantageusement, l'empilement des structures MIM est placé sensiblement au voisinnage du centre du pixel bolométrique. De cette façon, la surface effective d'absorption recouvre la totalité ou la quasi-totalité de la surface du pixel, permettant de garantir un taux de remplissage proche de 100% pour chacune des longeurs d'onde d'absorption. La figure 6C représente une troisième variante dans laquelle, comme pour la figure 6B les structures MIM sont empilées. Dans cette variante, la nature du matériau diélectrique varie d'une structure MIM à l'autre pour modifier la longueur d'onde de résonance et les dimensions latérales des structures MIM peuvent être sensiblement identiques ou non, pour une plus grande souplesse dans le choix des longueurs d'onde d'absorption.

Bien que les exemples des figures 6A à 6C ont été montrés avec des structures MIM de section carrée, il est tout à fait possible de réaliser le même type de microbolmètres mais avec des structures MIM de section rectangulaire. Dans ce cas, les structures ne seront plus invariantes en fonction de la polarisation. On pourra éventuellement optimiser les dimensions latérales des structures pour obtenir des longueurs d'onde d'absorption différentes pour chaque polarisation TE ou TM. D'autres formes peuvent être envisagées pour les structures MIM, par exemple triangulaire ou hexagonale, pour ajuster la réponse en polarisation du détecteur. La figure 7A représente un exemple de réalisation d'un absorbeur comprenant deux structures MIM 705A et 705B. Dans cet exemple, comme dans celui de la figure 4A, seuls les éléments absorbeurs et le réflecteur 702 sont représentés. Par ailleurs, les structures MIM ont une longueur w2 très supérieure à la largeur (w1A, W1B), typiquement de l'ordre de la longueur du pixel, de telle sorte que les structures peuvent être simulées comme des bandes semi infinies. Dans cet exemple, les deux structures MIM sont agencées sur un même pixel bolométrique. Une fois le détecteur bolométrique réalisé avec l'ensemble des microbolomètres, les structures 705A d'une part et 705B d'autre part, se trouveront arrangées périodiquement, avec une période correspondant à la taille du pixel. La figure 7B montre la courbe d'absorption 720 obtenue avec un microbolomètre du type de la figure 7A, en fonction de la longueur d'onde, pour des largeurs de ruban w1A = 1,8 µm et w1B = 2,1 µm, une période p = 6 µm, une épaisseur de cavité d = 4,6 µm, une épaisseur des couches métalliques de 50 nm et une épaisseur de la couche en matériau diélectrique de 190 nm, pour un matériau d'indice 2,2. Cette courbe fait apparaître le double pic d'absorption, respectivement aux longueurs d'onde de résonance d'environ 9,5 et 11 µm, montrant la faisabilité de sculpter la bande spectrale. Les figures 8A à 8D montrent d'autres exemples de réalisation de pixels bolométriques selon l'invention, vus de dessus. Les éléments identiques sont repérés par les mêmes références.

Les pixels bolométriques sont délimités par le cadre 813, tandis que le cadre 807 indique dans chacun des cas la surface effective d'absorption. Le substrat de support est noté 803. Comme dans la figure 3A, il est équipé d'un circuit de lecture (non représenté) et de plots de connexion électrique 815 pour la connexion de l'élément thermométrique au circuit de lecture.

L'exemple de la figure 8A montre un pixel bolométrique 800, comprenant un élément absorbeur 805 simple, c'est-à-dire comprenant une seule structure MIM, ou complexe, c'est-à-dire comprenant un ensemble de structures MIM empilées tel que cela a été montré sur les figures 6B, 6C par exemple. L'élément absorbeur est avantageusement positionné au voisinage du centre du pixel bolométrique. La dimension du pixel est de l'ordre de la longueur d'onde d'absorption de la structure, par exemple 12 µm pour un fonctionnement en bande III. La signature spectrale du détecteur bolométrique formé avec des pixels du type du pixel 800 peut ainsi présenter une signature spectrale fine (absorbeur simple) ou sculptée (absorbeur complexe). Sur la figure 8A, l'élément thermométrique positionné sous l'élément absorbeur, n'est pas visible. L'optimisation de la ou des structure(s) MIM formant l'absorbeur permet d'obtenir des surfaces d'absorption effectives 807 très supérieures à la surface de l'absorbeur lui-même, permettant un taux de remplissage effectif proche de 100% avec une marge d'isolation très importante. Dans l'exemple de la figure 8A, cette marge d'isolation est mise à profit pour former des bras d'isolation 806 de plus grande longueur, permettant d'augmenter la résistance thermique et de ce fait la sensibilité. L'augmentation du temps de réponse qui en résulte est compensée par la diminution de la capacité thermique, due à la diminution de la masse de l'élément thermométrique dont la surface est limitée à celle de l'élément absorbeur. Le pixel bolométrique 820 représenté sur la figure 8B est similaire au pixel bolométrique 800 de la figure 8A, à la différence près que les bras d'isolation 806 sont de longueur inférieure. Cette configuration permet de privilégier le temps de réponse à la sensibilité, dans les applications pour lesquelles une imagerie à haute cadence est nécessaire. La figure 8C présente un pixel bolométrique 840 dans lequel l'absorbeur 845 est complexe, présentant un ensemble d'éléments absorbeurs 850, 851, 852, 853. Chacun de ces éléments absorbeurs peut être une structure MIM simple ou un empilement de structures MIM, telles que représentées sur les figures 6B ou 6C. Il est possible d'obtenir avec un tel pixel une réponse spectrale sculptée sur toute la bande spectrale d'intérêt. Avantageusement, les éléments absorbeurs sont agencés au centre du pixel, chaque élément absorbeur présentant, comme dans les exemples précédents, une section efficace d'absorption proche de la surface du pixel. Cette configuration est donc adaptée également à un pixel de petite dimension, c'est- 2 0 à-dire de l'ordre de la longueur d'onde moyenne de la bande spectrale d'intérêt. L'exemple de la figure 8D illustre le cas d'un pixel bolométrique 860 de plus grande taille, par exemple 24 µm. Dans ce cas, l'absorbeur 865 est formé d'un ensemble d'éléments absorbeur 871 à 874 identiques, soit formés chacun d'une structure MIM simple, soit formés d'un empilement de structures MIM. Chacun des 25 éléments absorbeur est optimisé pour présenter une surface d'absorption effective qui va couvrir une partie de la surface du pixel, par exemple le quart dans l'exemple de la figure 8D, de telle sorte que l'ensemble des quatre éléments absorbeurs présentent une surface d'absorption effective 807 couvrant comme précédemment toute la surface du pixel.

30 Les figures 9A à 9F représentent des schémas illustrant selon un exemple une méthode de fabrication d'un microbolomètre selon l'invention. Selon cet exemple, l'ensemble des pixels bolométriques du détecteur bolométrique est réalisé lors du même procédé. Dans une première étape (figure 9A), un réflecteur métallique 902, par exemple en aluminium est déposé sur la surface supérieure d'un substrat de support 903, ledit substrat comprenant un circuit de lecture (non représenté sur la figure 9A) et des plots de connexion électrique 915 pour la connexion de l'élément thermométrique au circuit de lecture. Le réflecteur est par exemple défini par photolithogravure du film d'aluminium. Il peut s'agir par exemple d'un réflecteur continu sur toute la surface du substrat avec des ouvertures prévues pour les plots de connexion. Lors d'une deuxième étape (9B), une couche sacrificielle 920, par exemple en polyimide, est déposée sur le substrat de support 903. Cette couche servira à former la membrane suspendue. Son épaisseur est déterminée en fonction de la largeur de la cavité que l'on cherche à former entre le plan de l'absorbeur et le réflecteur. Des ouvertures sont ensuite percées dans la couche sacrificielle 920, par exemple par gravure sèche, pour la mise en place d'éléments d'ancrage (figure 9C). Dans l'étape suivante (figure 9D), on procède au dépôt d'un film thermorésistif, par exemple en silicium amorphe et d'un film isolant, par exemple en nitrure de silicium, l'ensemble 930 constitué du film thermorésistif et du film isolant étant structuré, par exemple par gravure sèche ou par lift-off, afin de définir l'élément thermométrique et les bras d'isolation. La structure MIM 905 qui servira d'absorbeur est ensuite déposée (figure 9E), par exemple par lift-off, sur la face supérieure du film isolant de l'ensemble 930, sur une zone destiné à former l'élément thermométrique. La couche isolante a pour fonction d'isoler 2 0 électriquement la couche thermorésistive de l'élément thermométrique, de la couche métallique 911 de la structure. La structure MIM comprend un empilement d'une première couche métallique 911, d'une couche en matériau diélectrique 910 et d'une deuxième couche métallique 909, les dimensions des couches étant optimisées pour obtenir l'absorption aux longueurs d'onde recherchées, comme cela a été 25 précédemment décrit. Par exemple, il s'agit d'un empilement Or/ZnS/Or. Enfin on procède au retrait de la couche sacrificielle (figure 9F), par exemple par gravure sèche, afin de former une membrane (904,) suspendue au-dessus du substrat au moyen des bras d'isolation 906 et des éléments d'ancrage 912, une cavité 908 étant formée entre l'absorbeur 905 et le réflecteur 902.

30 Dans une première variante du procédé, avantageusement adaptée au cas où l'élément thermométrique est constitué d'un semi-conducteur, on introduit après l'étape de la figure 9E, une opération de dopage, par exemple par implantation ionique, de la partie 930 destinée à former les bras d'isolation thermique. Cette implantation ionique locale peut avantageusement être auto alignée en utilisant la structure 905 comme écran aux ions implantés. Elle peut aussi être réalisée en utilisant un masque de résine photosensible pour limiter les zones implantées aux seules parties de l'ensemble 930 destinées à former les bras d'isolation thermique. Dans une deuxième variante du procédé, les éléments d'ancrage sont réalisés en utilisant une couche métallique supplémentaire. Pour cela, on procède après l'étape de la figure 9B au dépôt d'un film thermorésistif, par exemple en silicium amorphe, sur la couche sacrificielle 920. Les ouvertures réalisées à l'étape 9C percent ensuite successivement le film en silicium amorphe et la couche sacrificielle. Les éléments d'ancrage sont mis en place à ce stade, par le dépôt d'une couche métallique unique, par exemple en titane, ou par un ensemble de couches métalliques constituées par exemple de titane de nitrure de titane et d'aluminium, définis et structurés par exemple par photolithogravure, de manière à réaliser un lien mécanique et électrique entre les plots de connexion électrique 915 et la face supérieure des extrémités du film en silicium amorphe. Dans l'étape suivante (figure 9D), on procède au dépôt d'un film isolant, par exemple en nitrure de silicium. L'ensemble constitué du film thermorésistif et du film isolant est ensuite structuré, par exemple par gravure sèche, afin de définir l'élément thermométrique et les bras d'isolation. Une autre variante possible consiste à étendre la localisation de la couche métallique (éventuellement des couches métalliques) utilisées pour réaliser les éléments d'ancrage, sur tout ou partie des bras d'isolation thermique. Cette option permet de doter les bras d'une faible résistance électrique ce qui permet éventuellement de s'affranchir de l'opération d'implantation ionique de la première variante du procédé, ce qui peut être avantageux dans le cas où l'élément thermométrique n'est pas un semi-conducteur. La figure 10 illustre un exemple de caméra intégrant une matrice bolométrique équipée de pixels bolométriques selon l'invention. La caméra, par exemple destinée à l'imagerie dans l'infrarouge, comprend une optique d'entrée 2 pour la formation d'une image, le détecteur bolométrique 3 placé dans une enceinte sous vide 4, dans un plan focal de ladite optique 2 et comprenant un hublot transparent aux longueurs d'onde d'intérêt 7, une électronique 5 d'alimentation du détecteur bolométrique et de traitement des signaux délivrés pas le circuit de lecture du détecteur. Un système de visualisation 6 peut être prévu pour la visualisation des images obtenues. Grâce au détecteur bolométrique selon l'invention, des images de très bonne résolution peuvent être obtenues (pixel bolométrique de l'ordre de la longueur d'onde) tout en gardant une très bonne sensibilité. Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le microbolomètre selon l'invention comprend différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent. Notamment, bien que la plupart des exemples aient été décrits dans la bande III de l'infrarouge, l'invention s'applique à d'autres bandes spectrales et en particulier aux bandes spectrales dans l'infrarouge lointain jusqu'aux longueurs d'onde millimétriques.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1. Détecteur bolométrique pour la détection thermique d'un rayonnement lumineux dans une bande spectrale donnée, comprenant un substrat de support et un ensemble de microbolomètres (300) de dimensions données, agencés sous forme d'une matrice, chacun desdits microbolomètres du détecteur bolométrique étant caractérisé en ce que : - il comprend une membrane (301) suspendue au dessus dudit substrat de support par des éléments de support, ladite membrane étant constituée d'un élément absorbeur (305) de la radiation incidente et d'un élément thermométrique (304) en contact thermique avec l'absorbeur, isolé électriquement dudit élément absorbeur, - il comprend des éléments de connexion électrique dudit élément thermométrique avec le substrat de support, - l'élément absorbeur comprend au moins une première structure métal - diélectrique - métal (MIM) comprenant un empilement de trois couches superposées, d'épaisseur submicronique, dont une première couche métallique (311), une couche en matériau diélectrique (310) et une deuxième couche métallique (309), ladite structure MIM étant apte à générer avec ledit rayonnement incident une résonance plasmonique à au moins une longueur d'onde de ladite bande spectrale, - la surface du microbolomètre recouverte par ladite membrane (301) est inférieure à la moitié de la surface totale du microbolomètre.
2. 2. Détecteur bolométrique selon la revendication 1, dans lequel chacun desdits microbolomètres comprend en outre des bras d'isolation thermique (306) agencés entre l'élément thermométrique et le substrat de support.
3. 3. Détecteur bolométrique selon la revendication 2, dans lequel lesdits bras d'isolation thermiques forment également des éléments de connexion électrique de l'élément thermométrique.
4. 4. Détecteur bolométrique selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel lesdits bras d'isolation thermique et/ou l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres sont formés dans un film structuré (930).
5. 5. Détecteur bolométrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres est structuré sous forme d'un serpentin.
6. 6. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres comprend un matériau ou un empilement de matériaux choisis parmi le silicium amorphe, un composé à base de Vanadium, un alliage Si-Ge.
7. 7. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément thermométrique de chacun desdits microbolomètres est isolé de l'élément absorbeur par un film isolant électriquement.
8. 8. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite première structure MIM d'au moins un desdits microbolomètres est agencée sensiblement au centre du microbolomètre.
9. 9. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément absorbeur d'au moins un desdits microbolomètres comprend une pluralité desdites structures MIM disposées sur la surface du microbolomètre.
10. 10. Détecteur bolométrique selon la revendication 9, dans lequel au moins deux desdites structures MIM sont différentes, aptes à générer avec ledit rayonnement incident une résonance plasmonique à au moins deux longueurs d'onde distinctes de ladite bande spectrale.
11. 11. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément absorbeur d'au moins un desdits microbolomètres comprend au moins une deuxième structure MIM superposée à ladite première structure MIM, lesdites première et deuxième structures étant aptes à générer avec ledit rayonnement incident unerésonance plasmonique à au moins deux longueurs d'onde distinctes de ladite bande spectrale et présentant une couche métallique commune.
12. 12. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour chacun desdits microbolomètres, au moins une dimension latérale de ladite structure MIM est inférieure ou égale à X.,/2n, où Xmax est la longueur d'onde maximale de ladite bande spectrale et n l'indice du matériau diélectrique de la couche en diélectrique de ladite structure MIM.
13. 13. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau formant la couche en diélectrique de la dite structure MIM de chacun desdits microbolomètres est choisi parmi le sulfure de Zinc (ZnS), Trifluorure d'Yttrium (YF3), Nitrure de Silicium (SiNx), Oxyde de Silicium (SiOx), alliage de Nitrure et d'Oxyde de silicium (SiOxNy), Germanium amorphe (a-Ge), Silicium amorphe (a-Si), alliage de Silicum et Germanium amorphes (a-SiGe).
14. 14. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau formant la première ou la deuxième couche métallique de la dite structure MIM de chacun desdits microbolomètres est choisi parmi l'or, le cuivre, l'aluminium, l'argent.
15. 15. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits microbolomètres comprend en outre un réflecteur (302) disposé à une distance d du plan de ladite membrane pour former une cavité résonante à ladite longueur d'onde.
16. 16. Détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat de support comprend un circuit de lecture de la résistance électrique de l'élément thermométrique de chacun des microbolomètres.
17. 17. Caméra pour la détection infrarouge comprenant une optique de formation d'image, un détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, positionné au voisinage d'un plan focal de ladite optique et une unité de traitement des signaux délivrés pas le circuit de lecture du détecteur.
18. 18. Méthode de réalisation d'un détecteur bolométrique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : - le dépôt sur un substrat de support d'une couche sacrificielle ; - la formation d'ouvertures dans ladite couche à l'endroit des éléments d'ancrage des microbolomètres, - le dépôt d'un film structuré afin de définir pour chaque microbolomètre l'élément thermométrique et les bras d'isolation thermique, - le dépôt de la ou les structure(s) MIM sur chacun des éléments thermométriques formés, - le retrait de la couche sacrificielle.
19. 19. Méthode de réalisation d'un détecteur bolométrique selon la revendication 17, comprenant avant le dépôt de la couche sacrificielle, une étape de dépôt d'un film réfléchissant structuré pour former pour chacun des 15 microbolomètres un élément réflecteur. 10