WO2013182763A1 - Dispositif de détection refroidi avec table froide améliorée - Google Patents

Dispositif de détection refroidi avec table froide améliorée Download PDF

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WO2013182763A1
WO2013182763A1 PCT/FR2013/000144 FR2013000144W WO2013182763A1 WO 2013182763 A1 WO2013182763 A1 WO 2013182763A1 FR 2013000144 W FR2013000144 W FR 2013000144W WO 2013182763 A1 WO2013182763 A1 WO 2013182763A1
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cold
circuit
detection circuit
cold screen
reading circuit
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PCT/FR2013/000144
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Michel ZÉCRI
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Société Française De Détecteurs Infrarouges - Sofradir
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/024—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation

Definitions

  • the invention relates to a detection device provided with a photodetector.
  • photodetector In the field of detection devices, there is commonly a photodetector associated with a read circuit.
  • the photodetector delivers a signal representative of the observed scene and this signal is processed by the read circuit.
  • the polarization of the photodetector is obtained by means of a substrate potential imposed on a first terminal of the photodetector and by means of a reference potential imposed on the second terminal of the photodetector.
  • the reference potential is imposed by a capacitive transimpedance amplifier type reading device.
  • the detection circuit is thermally associated with a cooling device which carries out the heat removal.
  • a cooling device which carries out the heat removal.
  • EP 0757234 discloses an infrared detector provided with a hybridized detection circuit on a read circuit.
  • the read circuit is attached to an intermediate substrate by means of a silicone glue, an epoxy glue or solder. This particular arrangement makes it possible to compensate for the effects inherent to the differential expansion phenomena.
  • a detection device which comprises:
  • a cold screen comprising an area opaque to a radiation to be detected and a zone transparent to said radiation
  • the cold screen is attached directly to the read circuit around the detection circuit and supported by the single-crystal substrate and wherein the read circuit includes a connection pad disposed outside the surface defined by the cold screen and comprising the detection circuit.
  • FIG. 1 is a schematic cross-section of a detection circuit associated with a cooling device
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a variant of a detection circuit associated with a cooling device
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of another variant of a detection circuit associated with a cooling device
  • the detection device comprises a detection circuit 1 and a reading circuit 2.
  • the reading and detection circuits 2 and 2 are electrically connected so that the reading circuit 2 processes the electrical information transmitted by the detection circuit 1.
  • the detection circuit 1 comprises at least one photodetector transforming an optical signal into an electrical signal.
  • the detection circuit comprises a plurality of photodetectors.
  • the photodetector is a photodiode, a quantum well device or a multi-quantum well device.
  • the photodetector performs detection in the infrared range.
  • the reading circuit carries out the polarization of the detection circuit and transforming a current signal emitted by the photodetector into a voltage signal.
  • the detection circuit 1 is formed on a first semiconductor substrate and the reading circuit 2 is formed on a second semiconductor substrate so as to simultaneously obtain good detection and detection characteristics. good electrical performance of the reading circuit 2.
  • the two substrates are formed in different materials.
  • the substrate of the detection circuit is a so-called II-VI substrate, for example based on HgCdTe, and the substrate of the reading circuit 2 is a silicon-based substrate.
  • the substrate of the detection circuit may also be a so-called III-V substrate, for example based on InP, GaAs, GaAlAs.
  • the detection circuit is advantageously formed by a monocrystal.
  • the read circuit 1 comprises one or more transistors which process the signals supplied by the detection circuit 2.
  • the reading circuit 2 is formed by a single crystal and the cold screen 4 is supported by this monocrystal.
  • the main face is preferably flat, that is to say that the differences in height on the main face are less than a few microns, for example 10 microns. In this way, the holes formed for example in the main face to define the position of the hybridization balls are very small compared to the total thickness of the read circuit 2.
  • the hooking zone between the reading circuit 2 and the cold screen 4 is disposed on the main face which comprises the hybridization pads. Also advantageously, the attachment zone of the reading circuit 2 with the cold screen 4 is arranged between the rear face of the single crystal forming the detection circuit 1 and the front face of the single crystal forming the reading circuit 2.
  • the two circuits are advantageously hybridized and they form the hybridized component.
  • Hybridization of the two substrates is advantageously carried out by one or more balls 3 of electrically conductive material which are arranged between the two circuits.
  • the detection circuit 1 is hybridized on a first main face of the reading circuit 2 so as to form a one-piece assembly and to facilitate the electrical connection between these two circuits.
  • the first main face of the reading circuit 2 is advantageously formed by a layer of electrically insulating material which covers the semiconductor substrate and within which electrically conductive lines are arranged.
  • the second main face of the reading circuit 2 is for example the rear face of the semiconductor substrate.
  • a cold screen 4 (or coldshield in English) is fixed directly on the reading circuit 2.
  • the cold screen 4 is fixed to the reading circuit 2 so as to surround the detection circuit 1 present on the first main face of the circuit. reading 2.
  • the mechanical connection between the cold screen 4 and the reading circuit 2 is opaque to the electromagnetic radiation to be detected by the detection circuit 1.
  • the cold screen 4 can be glued or soldered to the reading circuit 2.
  • the cold screen 4 is directly thermally and mechanically connected to the reading circuit 2.
  • the cold screen 4 can be fixed on the first main face of the reading circuit 2 and / or on the second main face of the reading circuit 2 which is opposite to the first main face. It is possible to realize the thermal connection and mechanical on the lateral faces of the reading circuit 2.
  • the mechanical connection between the cold screen 4 and the reading circuit 2 can serve to stiffen the reading circuit 2 and / or the cold screen 4 depending on the materials used and form a more rigid set.
  • the cold screen 4 is made mainly in a material opaque to the radiation to be detected in order to form an opaque zone.
  • the cold screen 4 comprises a zone transparent to the radiation to be detected, which makes it possible to define the observation zone of the detection circuit.
  • the optical axis X of the detection circuit 1 passes through the transparent zone.
  • the transparent area may be formed by a hole or by an optical device, for example one or more lenses that are used to delimit the viewing area of the detection device. In this way, the incident radiation passes through the cold screen 4 before being picked up by the detection circuit 1.
  • the cold screen 4 is advantageously electrically conductive.
  • the cold screen 4 is preferably connected to the mechanical ground.
  • the cold screen 4 has a main face which is flat or substantially flat and which has the transparent area to let the radiation to be detected.
  • the main face is preferably parallel to the main face of the detection circuit 1, that is to say parallel to the face which captures the electromagnetic radiation.
  • the cold screen 4 comprises a lens 5.
  • the cold screen 4 is configured to place the detection circuit 1 in a first cavity defined by the cold screen 4 and the reading circuit 2.
  • the volume of this cavity is at a subatmospheric pressure.
  • the detection circuit 1 is placed under vacuum to reduce the thermal conduction of this part of the device.
  • the cold screen 4 is fixed to the reading circuit 2 so as to define a closed space containing the detection circuit 1, which makes it possible to reduce the contamination of the optical detection zone of the detection circuit as and as it works.
  • the cold screen 4 is preferably covered, at least on its internal face, with a coating that reduces parasitic reflections of the incident radiation inside the closed space. This coating makes it possible to reduce the importance of the disturbances originating from non-parallel radiations to the optical axis of the detection circuit 1.
  • the optical axis X is defined by the perpendicular to the receiving face of the incident radiation.
  • the reading circuit is advantageously made so as to be opaque to the incident radiation in order to avoid the contribution of parasitic radiation to the detection circuit via the reading circuit 2.
  • the reading circuit 2 is opaque to infrared radiation. .
  • the cold screen 4 has an annular shape and surrounds the detection circuit 1 so as to limit as far as possible the introduction of incident radiation elsewhere than by the transparent observation zone.
  • the lateral dimensions of the reading circuit 2 are greater than the lateral dimensions of the detection circuit 1 so as to allow the fixing of the cold screen 4 all around the detection circuit 1.
  • This embodiment is particularly interesting because it reduces the lateral dimensions of the cold screen 4, for example the diameter of the cold screen 4 when the latter has a cylindrical shape.
  • the reading circuit 2 comprises one or more connection pads 6 which are located outside the surface defined by the cold screen 4. These connection pads 6 allow the transmission of electrical signals from the read circuit 2 to other circuits of the detection device, for example a processing circuit 7 which is configured to process the image sent by the read circuit 2 and / or which is configured to modify the trajectory of a moving object on which the detection device is located.
  • a processing circuit 7 which is configured to process the image sent by the read circuit 2 and / or which is configured to modify the trajectory of a moving object on which the detection device is located.
  • connection pad 6 is connected to the rest of the read circuit 2 by means of an electrically conductive wire which circulates inside the reading circuit 2.
  • an electrically conductive wire which circulates inside the reading circuit 2.
  • the distance separating the detection circuit 1 and the lens 5 evolves less rapidly than for the devices according to the prior art because the deformations of the reading circuit 2 are applied to the detection circuit 1 and the cold screen 4. It is the same for the micro-displacements along the X axis and / or according to the a direction perpendicular to this axis X.
  • This configuration allows to obtain a device having a better performance of optical performance over time. This displacement can occur during the multiple temperature variations experienced by the detection device or when the latter is subjected to significant accelerations. This configuration also facilitates the management of the parasitic flux for a given height of cold screen.
  • the detection device is a so-called "cooled" device that is to say that it is intended to operate at a temperature below room temperature to provide improved technical characteristics in comparison with a device operating at ambient temperature, including optical characteristics in the infrared range.
  • the use of the detection device in a large temperature range generally results in the introduction of thermomechanical constraints related to the differences in coefficient of expansion that exist between the different materials used. Indeed, the device is made at room temperature, certain technological steps are performed at several hundred degrees Celsius and the detection is performed at a temperature that may be less than or equal to 200K.
  • the detection circuit 1 is intended to be thermally connected to a cold source 8 in order to work at a reduced temperature.
  • the device comprises a cold table 9 on which the reading circuit 2 is fixed.
  • the cold table 9 acts as a mechanical support for the hybridized component.
  • the cold table 9 is electrically connected to the read circuit 2 and it participates in the transit of the electrical signals to the processing circuit 7.
  • the cold source 8 is for example a cryostat or a cryogenic compressor.
  • the second main face of the reading circuit 2 can be fixed directly to the cold table 9 or via an interposer.
  • the cold table 9 is intended to be thermally connected to the cold source 8 and the cold is imposed on the reading circuit 2 and in the detection circuit 1 through the cold table 9.
  • the cold table 9 is intended to achieve the thermal connection between the detection circuit 1 and the cold source 8.
  • the cold screen 4 is advantageously configured to be at the same temperature as the read circuit 2 and the detection circuit 1.
  • the cold source 8 is connected to the detection circuit 1 by means of a cold finger 10 which carries the cold from the cold source 8 to the cold table 9.
  • the cold finger 10 can be brazed on the cold table 9.
  • the detection device is devoid of a cold table 9 and the mechanical support of the hybridized component is produced by the substrate of the reading circuit 2.
  • the direct connection of the cold finger 10 to the circuit of FIG. Reading 2 makes it possible to limit the overall mass of material at a low temperature and thus reduce the thermal and mechanical inertia of the detection device.
  • the cold finger 10 is advantageously brazed to the second main face of the reading circuit 2.
  • the cold finger 10 has a first end connected directly to the reading circuit 2 and a second end intended to be connected to a cold source 8. This particular configuration of the detection device makes it possible to reduce the power of the cold source 8.
  • the cold finger 10 makes it possible to separate the detection circuit 1 from the cold source 8 in order to reduce the mechanical disturbances originating from the cold source 8.
  • the detection circuit comprises a cold source 8
  • the temperature inside the closed space defined by the reading circuit 2 and the cold screen 4 is regulated by means of the cold source 8.
  • the closed space defines preferably a sealed volume which is particularly advantageous in the use of a device operating at very low temperatures.
  • the cold screen 4 and the read circuit 2 are configured to allow operation of the detection circuit 1 at a temperature below 200K.
  • the detection circuit is advantageously configured to detect infrared radiation.
  • the thermal expansion of the reading circuit 2 does not change the distance that exists between the top of the cold screen 4 and the detection circuit 1.
  • the reading circuit 2 is partially covered by the detection circuit 1 so as to leave a sufficient surface to fix the cold screen 4. In other words, the detection circuit 1 partially overlaps a main face of the reading circuit 2.
  • the cold screen 4 is fixed on the surface of the reading circuit 2 which is opposite to that which comprises the detection circuit 1.
  • the electrical connection with the cold table 3 is then performed from the opposite side to that comprising the detection circuit 1 so as to have an electrical connection outside the volume defined by the cold screen.
  • the hybridized component and the cold screen 4 are disposed inside a second closed cavity which is preferably sealed.
  • This second cavity is defined, for example by means of an upper cover 11 associated with a lower cover 12.
  • These two covers 11, 12 advantageously form a parasitic electromagnetic radiation shielding except in a zone transparent to the radiation which must be detected by the detection circuit 1.
  • the transparent zone of the upper cover 11 is advantageously aligned with the transparent zone associated with the cold screen 4 and with the detection circuit 1 for capturing the useful radiation.
  • the second cavity is evacuated in order to place the assembly at a low temperature and to limit heat transfer.
  • the cold screen advantageously comprises an orifice which makes it possible to communicate the first and second cavities and advantageously to place the first cavity under vacuum.
  • the second cavity is also defined by an outer ring 13.
  • the upper cover 11 is connected to the outer ring 13 and the lower cover 12 is connected to the outer ring 13.
  • the upper cover 11, the lower cover 11 and the outer ring 13 being configured to define a second closed cavity containing the cold screen 5, the circuit detection circuit 1 and the reading circuit 2.
  • the incident radiation passes through the upper cover 11 to reach the cold screen 4 and the detection circuit 1.
  • the lower cover 12 is configured to advantageously dispose the cold source 8 outside the second cavity. As illustrated in FIG. 3, the lower cover 12 defines an area of the cold table 9 out of the second cavity and the thermal connection with the cold source 8 is formed in this second cavity. This configuration makes it possible to carry out the cooling of the detection circuit 1 by reducing the thermal influence of the other elements arranged in the second cavity. It may be the same with a lower cover connected directly to the reading circuit 2. In this configuration, the covers 11 and 12 separate the cold zone present inside the second cavity and the hot zone disposed outside the second cavity. the second cavity. The detection circuit is maintained in a controlled manner at a very low temperature.
  • the outer ring 13 has a through electrical connection 14 which makes it possible to pass a signal between the second cavity and ("external environment, for example the processing circuit 7.
  • a second electrical connector 14 can connect the cold table 9 or the reading circuit 2 to the outer ring 13. In this way, the detection device is cooled, protected from external disturbances and it can communicate with other elements located outside the second cavity.
  • the reading circuit 2 with the outer ring 13 having a first end connected directly to the reading circuit 2 and a second end connected directly to the outer ring 13.
  • the electrically conductive wire has no other fixed mechanical connection with the reading circuit 2 or with the outer ring 13 which reduces the heat exchange between these two LEMENTS well as mechanical constraints because the wire is left moving.

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Abstract

Le dispositif de détection comporte un circuit de lecture (2) formé dans un premier substrat semi-conducteur. Un circuit de détection (1) est associé au circuit de lecture (2). Un écran froid (4) est solidaire du circuit de détection (1) et du circuit de lecture (2). L'écran froid (4) est électriquement conducteur et est fixé au premier substrat de manière à définir un espace fermé contenant le circuit de détection (1).

Description

Dispositif de détection refroidi avec table froide améliorée
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif de détection muni d'un photodétecteur.
État de la technique
Dans le domaine des dispositifs de détection, il y a communément un photodétecteur associé à un circuit de lecture. Le photodétecteur délivre un signal représentatif de la scène observée et ce signal est traité par le circuit de lecture.
La polarisation du photodétecteur est obtenue au moyen d'un potentiel de substrat imposé sur une première borne du photodétecteur et au moyen d'un potentiel de référence imposé sur la seconde borne du photodétecteur. Le potentiel de référence est imposé par un dispositif de lecture de type amplificateur transimpédance capacitif.
Afin d'obtenir des performances de détection importantes, il est intéressant d'utiliser des substrats particuliers, par exemple à base de Mercure, Cadnium, Tellure et de faire fonctionner ces équipements à basse température. L'utilisation d'une basse température permet de limiter les perturbations électriques parasites lors de la transformation du signal optique en un signal électrique.
De manière classique, le circuit de détection est associé thermiquement à un dispositif de refroidissement qui réalise l'évacuation de la chaleur. Cependant cette architecture est difficile à mettre en œuvre et les performances finales du dispositif sont inférieures à ce qui est attendu du point de vue théorique.
Le document EP 0757234 décrit un détecteur infrarouge muni d'un circuit de détection hybridé sur un circuit de lecture. Le circuit de lecture est fixé à un substrat intermédiaire au moyen d'une colle silicone, d'une colle époxyde ou par brasure. Cet arrangement particulier, permet de compenser les effets inhérents aux phénomènes de dilatation différentielle.
Objet de l'invention
On constate qu'il existe un besoin de prévoir des dispositifs de détection qui sont plus performants tout en conservant une réalisation simple et robuste.
On tend à atteindre cet objectif au moyen d'un dispositif de détection qui comporte :
- un circuit de lecture formé dans un substrat monocristallin en premier matériau semi-conducteur,
- un circuit de détection hybridé sur une première face principale du circuit de lecture par des billes électriquement conductrices, le circuit de détection étant réalisé dans un deuxième matériau semi-conducteur différent du premier matériau semi-conducteur.
- un écran froid comportant une zone opaque à un rayonnement à détecter et une zone transparente audit rayonnement,
dans lequel l'écran froid est fixé directement sur le circuit de lecture autour du circuit de détection et supporté par le substrat monocristallin et dans lequel le circuit de lecture comporte un plot de connexion disposé hors de la surface délimitée par l'écran froid et comprenant le circuit de détection. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente en coupe, de manière schématique un circuit de détection associé à un dispositif de refroidissement,
- la figure 2 représente en coupe, de manière schématique une variante d'un circuit de détection associé à un dispositif de refroidissement,
- la figure 3 représente en coupe, de manière schématique une autre variante d'un circuit de détection associé à un dispositif de refroidissement,
Description de modes préférentiels de réalisation
Le dispositif de détection comporte un circuit de détection 1 et un circuit de lecture 2. Les circuits de lecture 2 et de détection 1 sont reliés électriquement de manière que le circuit de lecture 2 traite l'information électrique émise par le circuit de détection 1.
Le circuit de détection 1 comporte au moins un photodétecteur transformant un signal optique en un signal électrique. De manière préférentielle, le circuit de détection comporte une pluralité de photodétecteurs. A titre d'exemple, le photodétecteur est une photodiode, un dispositif à puit quantique ou à multipuits quantiques. Dans un mode de réalisation préférentiel, le photodétecteur réalise la détection dans le domaine de l'infrarouge. A titre d'exemple, le circuit de lecture réalise la polarisation du circuit de détection et la transformation d'un signal en courant émis par le photodétecteur en un signal en tension.
Dans un mode de réalisation particulier qui peut être combiné aux précédents, le circuit de détection 1 est formé sur un premier substrat semiconducteur et le circuit de lecture 2 est formé sur un second substrat semiconducteur de manière à obtenir simultanément de bonnes caractéristiques de détection et de bonnes performances électriques du circuit de lecture 2. Les deux substrats sont formés dans des matériaux différents. A titre d'exemple, le substrat du circuit de détection est un substrat dit ll-VI, par exemple à base de HgCdTe et le substrat du circuit de lecture 2 est un substrat à base de silicium. Le substrat du circuit de détection peut également être un substrat dit lll-V, par exemple à base de InP, GaAs, GaAIAs. Le circuit de détection est formé avantageusement par un monocristal. Le circuit de lecture 1 comporte un ou plusieurs transistors qui traitent les signaux fournis par le circuit de détection 2.
Le circuit de lecture 2 est formé par un monocristal et l'écran froid 4 est supporté par ce monocristal.
La face principale est avantageusement plane, c'est-à-dire que les différences de hauteur sur la face principale sont inférieures à quelques microns, par exemple 10 microns. De cette manière, les trous formés par exemple dans la face principale pour définir la position des billes d'hybridation sont très faibles par rapport à l'épaisseur totale du circuit de lecture 2.
De manière avantageuse, la zone d'accrochage entre le circuit de lecture 2 et l'écran froid 4 est disposée sur la face principale qui comporte les plots d'hybridation. De manière également avantageuse, la zone d'accrochage du circuit de lecture 2 avec l'écran froid 4 est disposée entre la face arrière du monocristal formant le circuit de détection 1 et la face avant du monocristal formant le circuit de lecture 2.
Pour obtenir un système compact, les deux circuits sont avantageusement hybridés et ils forment le composant hybridé. L'hybridation des deux substrats est avantageusement réalisée par une ou plusieurs billes 3 en matériau électriquement conducteur qui sont disposées entre les deux circuits. Le circuit de détection 1 est hybridé sur une première face principale du circuit de lecture 2 de manière à former un ensemble monobloc et à faciliter la connexion électrique entre ces deux circuits. La première face principale du circuit de lecture 2 est avantageusement formée par une couche en matériau électriquement isolant qui recouvre le substrat semiconducteur et à l'intérieur de laquelle sont disposées des lignes électriquement conductrices. La deuxième face principale du circuit de lecture 2 est par exemple la face arrière du substrat semi-conducteur.
Un écran froid 4 (ou coldshield en anglais) est fixé directement sur le circuit de lecture 2. L'écran froid 4 est fixé au circuit de lecture 2 de manière à entourer le circuit de détection 1 présent sur la première face principale du circuit de lecture 2. La connexion mécanique entre l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2 est opaque au rayonnement électromagnétique qui doit être détecté par le circuit de détection 1.
A titre d'exemple, l'écran froid 4 peut être collé ou brasé sur le circuit de lecture 2. L'écran froid 4 est directement relié thermiquement et mécaniquement au circuit de lecture 2. L'écran froid 4 peut être fixé sur la première face principale du circuit de lecture 2 et/ou sur la seconde face principale du circuit de lecture 2 qui est opposée à la première face principale. Il est éventuellement possible de réaliser la connexion thermique et mécanique sur les faces latérales du circuit de lecture 2. La connexion mécanique entre l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2 peut servir à rigidifier le circuit de lecture 2 et/ou l'écran froid 4 en fonction des matériaux utilisés et former un ensemble plus rigide.
L'écran froid 4 est réalisé principalement dans un matériau opaque au rayonnement à détecter afin de former une zone opaque. L'écran froid 4 comporte une zone transparente au rayonnement à détecter, ce qui permet de définir la zone d'observation du circuit de détection. L'axe optique X du circuit de détection 1 traverse la zone transparente. La zone transparente peut être formée par un trou ou par un dispositif optique, par exemple une ou plusieurs lentilles qui sont utilisées pour délimiter la zone d'observation du dispositif de détection. De cette manière, le rayonnement incident traverse l'écran froid 4 avant d'être capté par le circuit de détection 1. L'écran froid 4 est avantageusement électriquement conducteur. L'écran froid 4 est préférentiellement relié à la masse mécanique.
De manière avantageuse, l'écran froid 4 comporte une face principale qui est plane ou sensiblement plane et qui comporte la zone transparente pour laisser passer le rayonnement à détecter. La face principale est préférentiellement parallèle à la face principale du circuit de détection 1 , c'est-à-dire parallèle à la face qui capte le rayonnement électromagnétique.
Dans un mode de réalisation particulier, l'écran froid 4 comporte une lentille 5. Dans un mode de réalisation encore plus particulier, l'écran froid 4 est configuré de manière à placer le circuit de détection 1 dans une première cavité définie par l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2. De manière préférentielle, le volume de cette cavité est à une pression subatmosphérique. Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit de détection 1 est placé sous vide pour diminuer la conduction thermique de cette partie du dispositif. En d'autres termes, l'écran froid 4 est fixé au circuit de lecture 2 de manière à définir un espace fermé contenant le circuit de détection 1 ce qui permet de réduire la contamination de la zone de détection optique du circuit de détection au fur et à mesure de son fonctionnement.
L'écran froid 4 est préférentiellement recouvert, au moins sur sa face interne, par un revêtement réduisant les réflexions parasites du rayonnement incident à l'intérieur de l'espace fermé. Ce revêtement permet de diminuer l'importance des perturbations provenant des rayonnements non parallèles à l'axe optique du circuit de détection 1. L'axe optique X est défini par la perpendiculaire à la face de réception du rayonnement incident. Le circuit de lecture est avantageusement réalisé de manière à être opaque au rayonnement incident pour éviter l'apport de rayonnement parasite au circuit de détection via le circuit de lecture 2. A titre d'exemple, le circuit de lecture 2 est opaque au rayonnement infrarouge.
L'écran froid 4 présente une forme annulaire et il entoure le circuit de détection 1 afin de limiter autant que possible, l'introduction d'un rayonnement incident ailleurs que par la zone d'observation transparente.
Il a été découvert qu'un écran froid 4 fixé directement au circuit de lecture 2 et supporté par le circuit de lecture 2 permet de réduire la quantité de rayonnement parasite dans le circuit de détection 1 en comparaison d'une intégration conventionnelle où l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2 sont fixés sur un élément de support commun avec l'écran froid 4 qui entoure le circuit de lecture 2 ce qui est le cas dans le document EP0757234.
Les dimensions latérales du circuit de lecture 2 sont supérieures aux dimensions latérales du circuit de détection 1 de manière à permettre la fixation de l'écran froid 4 tout autour du circuit de détection 1. Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant car il permet de réduire les dimensions latérales de l'écran froid 4, par exemple le diamètre de l'écran froid 4 lorsque ce dernier a une forme cylindrique.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le circuit de lecture 2 comporte un ou plusieurs plots de connexion 6 qui sont situés à l'extérieur de la surface délimitée par l'écran froid 4. Ces plots de connexion 6 permettent la transmission de signaux électriques depuis le circuit de lecture 2 vers d'autres circuits du dispositif de détection, par exemple un circuit de traitement 7 qui est configuré pour traiter l'image envoyée par le circuit de lecture 2 et/ou qui est configuré pour modifier la trajectoire d'un objet mobile sur lequel se trouve le dispositif de détection.
Le plot de connexion 6 est relié au reste du circuit de lecture 2 au moyen d'un fil électriquement conducteur qui circule à l'intérieur du circuit de lecture 2. De cette manière, il est possible d'avoir une surface plane assurant une connexion mécanique importante entre l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2, une très bonne opacité au rayonnement parasite et une étanchéité accrue. Cette configuration est particulièrement avantageuse dans le cas où le circuit de détection 1 est dans une atmosphère contrôlée voire sous vide car la fiabilité du dispositif est accrue. La connexion électrique entre le circuit de lecture 2 et le circuit de traitement 7 est réalisée à l'extérieur de l'espace fermé au moyen de connecteur. Les connecteurs partent du circuit de lecture 2 hors de la surface fermée définie par la connexion avec l'écran froid 4.
Lorsque la lentille 5 définissant la zone d'observation est fixée à l'écran froid 4, la distance séparant le circuit de détection 1 et la lentille 5 évolue moins vite que pour les dispositifs selon l'art antérieur car les déformations du circuit de lecture 2 sont appliquées au circuit de détection 1 et à l'écran froid 4. Il en est de même pour les micro-déplacements selon l'axe X et/ou selon une direction perpendiculaire à cet axe X. Cette configuration permet l'obtention d'un dispositif présentant une meilleure tenue des performances optiques dans le temps. Ce déplacement peut intervenir lors des multiples variations de température subies par le dispositif de détection ou lorsque ce dernier est soumis à des accélérations importantes. Cette configuration facilite également la gestion du flux parasite pour une hauteur donnée d'écran froid.
Dans un mode de réalisation particulier qui peut être combiné avec les modes de réalisation précédents, le dispositif de détection est un dispositif dit « refroidi » c'est-à-dire qu'il est destiné à fonctionner à une température inférieure à la température ambiante afin de délivrer des caractéristiques techniques améliorées en comparaison d'un dispositif fonctionnant à la température ambiante, notamment les caractéristiques optiques dans le domaine de l'infrarouge. L'utilisation du dispositif de détection dans une gamme de température importante se traduit généralement par l'introduction de contraintes thermomécaniques liées aux différences de coefficient de dilatation qui existent entre les différents matériaux utilisés. En effet, le dispositif est réalisé à température ambiante, certaines étapes technologiques sont effectuées à plusieurs centaines de dégrées Celsius et la détection est réalisée à une température qui peut être inférieure ou égale à 200K.
Le circuit de détection 1 est destiné à être relié thermiquement à une source froide 8 afin de travailler à une température réduite. Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 1 , le dispositif comporte une table froide 9 sur laquelle le circuit de lecture 2 est fixé. La table froide 9 agit comme un support mécanique pour le composant hybridé. De manière avantageuse, la table froide 9 est reliée électriquement au circuit de lecture 2 et elle participe dans le transit des signaux électriques vers le circuit de traitement 7. La source froide 8 est par exemple un cryostat ou un compresseur cryogénique. La seconde face principale du circuit de lecture 2 peut être fixée directement à la table froide 9 ou via un interposeur.
Dans cette configuration, il y a successivement, la table froide 9, le circuit de lecture 2 et le circuit de détection 1. La table 9 est destinée à être reliée thermiquement à la source froide 8 et le froid est imposé au circuit de lecture 2 et au circuit de détection 1 par l'intermédiaire de la table froide 9. En d'autres termes, la table froide 9 est destinée à réaliser la connexion thermique entre le circuit de détection 1 et la source froide 8. L'écran froid 4 est avantageusement configuré pour être à la même température que le circuit de lecture 2 et le circuit de détection 1.
Dans certains modes de réalisation, la source froide 8 est connectée au circuit de détection 1 au moyen d'un doigt froid 10 qui réalise le transport du froid depuis la source froide 8 jusqu'à la table froide 9. Le doigt froid 10 peut être brasé sur la table froide 9.
Dans un mode de réalisation particulier illustré à la figure 3, le dispositif de détection est dépourvu de table froide 9 et le support mécanique du composant hybridé est réalisé par le substrat du circuit de lecture 2. La connexion directe du doigt froid 10 au circuit de lecture 2 permet de limiter la masse globale de matière se trouvant à basse température et ainsi réduire l'inertie thermique et mécanique du dispositif de détection. Le doigt froid 10 est avantageusement brasé sur la seconde face principale du circuit de lecture 2. Le doigt froid 10 a une première extrémité connectée directement au circuit de lecture 2 et une seconde extrémité destinée à être connectée à une source froide 8. Cette configuration particulière du dispositif de détection permet de diminuer la puissance de la source froide 8. Le doigt froid 10 permet de séparer le circuit de détection 1 de la source froide 8 afin de réduire les perturbations mécaniques provenant de la source froide 8.
Lorsque le circuit de détection comporte une source froide 8, la température à l'intérieur de l'espace fermé défini par le circuit de lecture 2 et l'écran froid 4 est régulée au moyen de la source froide 8. L'espace fermé définit préférentiellement un volume étanche qui est particulièrement avantageux dans l'utilisation d'un dispositif fonctionnant à de très basses températures.
Dans un mode de réalisation préférentiel, l'écran froid 4 et le circuit de lecture 2 sont configurés pour autoriser un fonctionnement du circuit de détection 1 à une température inférieure à 200K. Le circuit de détection est avantageusement configuré pour détecter un rayonnement infrarouge.
Dans le cas où l'écran froid 4 et le circuit de détection 1 sont fixés à la même face du circuit de lecture 2, la dilatation thermique du circuit de lecture 2 ne modifie pas la distance qui existe entre le haut de l'écran froid 4 et le circuit de détection 1. Le circuit de lecture 2 est partiellement recouvert par le circuit de détection 1 de manière à laisser une surface suffisante pour fixer l'écran froid 4. En d'autres termes, le circuit de détection 1 recouvre partiellement une face principale du circuit de lecture 2.
Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 2, l'écran froid 4 est fixé sur la surface du circuit de lecture 2 qui est opposée à celle qui comporte le circuit de détection 1. La connexion électrique avec la table froide 3 est alors réalisée depuis la face opposée à celle comportant le circuit de détection 1 de manière à avoir une connexion électrique hors du volume délimité par l'écran froid. Dans le mode de réalisation avantageux illustré à la figure 3, le composant hybridé et l'écran froid 4 sont disposés à l'intérieur d'une seconde cavité fermée qui est préférentiellement étanche. Cette seconde cavité est définie, par exemple au moyen d'un capot supérieur 11 associé à un capot inférieur 12. Ces deux capots 11 , 12 forment avantageusement un blindage au rayonnement électromagnétique parasite sauf dans une zone transparente au rayonnement qui doit être détecté par le circuit de détection 1. La zone transparente du capot supérieur 11 est avantageusement alignée avec la zone transparente associée à l'écran froid 4 et avec le circuit de détection 1 pour capter le rayonnement utile. Cependant, il est également envisageable de prévoir un ou plusieurs miroirs pour éviter cet alignement.
De manière avantageuse, la seconde cavité est mise sous vide afin de placer l'ensemble à basse température et de limiter les transferts de chaleurs. L'écran froid comporte avantageusement un orifice qui permet de faire communiquer les première et seconde cavités et avantageusement de placer la première cavité sous vide.
Dans un mode de réalisation préférentiel qui peut être combiné avec les autres modes déjà décrits, la seconde cavité est également définie par un anneau extérieur 13. Le capot supérieur 11 est connecté à l'anneau extérieur 13 et le capot inférieur 12 est connecté à l'anneau extérieur 13 et à la table froide 9 ou éventuellement au circuit de lecture 2. Le capot supérieur 11 , le capot inférieur 11 et l'anneau extérieur 13 étant configurés pour définir une seconde cavité fermée contenant l'écran froid 5, le circuit de détection 1 et le circuit de lecture 2. Le rayonnement incident passe au travers du capot supérieur 11 pour atteindre l'écran froid 4 et le circuit de détection 1.
Le capot inférieur 12 est configuré pour disposer avantageusement la source froide 8 à l'extérieur de la seconde cavité. Comme cela est illustré à la figure 3, le capot inférieur 12 définit une zone de la table froide 9 hors de la seconde cavité et la connexion thermique avec la source froide 8 est réalisée dans cette seconde cavité. Cette configuration permet de réaliser le refroidissement du circuit de détection 1 en réduisant l'influence thermique des autres éléments disposés dans la seconde cavité. Il peut en être de même avec un capot inférieur connecté directement au circuit de lecture 2. Dans cette configuration, les capots 11 et 12 séparent la zone froide présente à l'intérieur de la seconde cavité et la zone chaude disposée à l'extérieur de la seconde cavité. Le circuit de détection est maintenu de manière maîtrisée à une température très basse.
De manière préférentielle, l'anneau extérieur 13 comporte une connexion électrique traversante 14 qui permet de faire passer un signal entre la seconde cavité et ("environnement extérieur, par exemple le circuit de traitement 7. Un second connecteur électrique 14 peut relier la table froide 9 ou le circuit de lecture 2 à l'anneau extérieur 13. De cette manière, le dispositif de détection est refroidi, protégé des perturbations externes et il peut communiquer avec d'autres éléments localisés hors de la seconde cavité. Un fil électriquement conducteur relie le circuit de lecture 2 avec l'anneau extérieur 13 en ayant une première extrémité connectée directement au circuit de lecture 2 et une seconde extrémité connectée directement à l'anneau extérieur 13. Le fil électriquement conducteur est dépourvu d'autre connexion mécanique fixe avec le circuit de lecture 2 ou avec l'anneau extérieur 13 ce qui permet de réduire les échanges thermique entre ces deux éléments ainsi que les contraintes mécanique car le fil est laissé mobile.

Claims

Revendications
1. Dispositif de détection comportant :
- un circuit de lecture (2) formé dans un substrat monocristallin en premier matériau semi-conducteur,
- un circuit de détection (1 ) hybridé sur une première face principale du circuit de lecture (2) par des billes électriquement conductrices, le circuit de détection (1 ) _ étent_réa.ljsé... dans un deuxième matériau semiconducteur différent du premier matériau semi-conducteur.
- un écran froid (4) comportant une zone opaque à un rayonnement à détecter et une zone transparente audit rayonnement,
dispositif caractérisé en ce que l'écran froid (4) est fixé directement sur le circuit de lecture (2) autour du circuit de détection (1 ) et supporté par le substrat monocristallin et en ce que le circuit de lecture (2) comporte un plot de connexion (6) disposé hors de la surface délimitée par l'écran froid (4) et comprenant le circuit de détection (1 ).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'écran froid (4) et le circuit de détection (1) sont fixés sur la première face principale du circuit de lecture (2).
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'écran froid (4) est fixé sur la seconde face principale du circuit de lecture (2) opposée à la première face principale.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille fixée à l'écran froid (5).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un doigt froid (10) ayant une première extrémité connectée directement au circuit de lecture (2) et une seconde extrémité destinée à être connectée à une source froide (8).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une table froide (9) supportant le circuit de lecture (2) et en ce qu'il comporte un doigt froid (10) ayant une première extrémité connectée directement à la table froide (9) et une seconde extrémité destinée à être connectée à une source f roide (8) -
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que qu'il comporte un anneau extérieur (13), un capot supérieur (1 1 ) connecté à l'anneau extérieur (13) et un capot inférieur (12) connecté à l'anneau extérieur (13) et à une table froide (9) ou au circuit de lecture (2), le capot supérieur (1 1 ), le capot inférieur (12) et l'anneau extérieur (13) étant configurés pour définir une seconde cavité fermée contenant l'écran froid (5), le circuit de détection (1 ) et le circuit de lecture (2).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capot inférieur (12) est configuré pour définir une zone de la table froide (9) ou du circuit de lecture (2) se trouvant hors de la seconde cavité et ladite zone réalisant la connexion thermique avec la source froide (8).
9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte un fil électriquement conducteur ayant une première extrémité connectée directement au circuit de lecture (2) et une seconde extrémité connectée directement à l'anneau extérieur (13), le fil électriquement conducteur étant dépourvu d'autre connexion mécanique fixe avec le circuit de lecture (2) ou avec l'anneau extérieur (13).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'écran froid comporte un orifice faisant communiqué une cavité délimitée par l'écran froid (4) et le circuit de lecture (2) avec la deuxième cavité comportant l'écran froid.
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