WO2020065188A1 - Détecteur infrarouge thermomécanique à lecture optique - Google Patents

Détecteur infrarouge thermomécanique à lecture optique Download PDF

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WO2020065188A1
WO2020065188A1 PCT/FR2019/052219 FR2019052219W WO2020065188A1 WO 2020065188 A1 WO2020065188 A1 WO 2020065188A1 FR 2019052219 W FR2019052219 W FR 2019052219W WO 2020065188 A1 WO2020065188 A1 WO 2020065188A1
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light source
substrate
absorption
photo
detector
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Sébastien Becker
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • G01J5/38—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids
    • G01J5/40—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids using bimaterial elements

Definitions

  • the invention relates to the field of infrared detectors of the thermomechanical type, in which an absorption element moves more or less as a function of an amount of infrared electromagnetic radiation absorbed.
  • the invention relates more particularly to the field of thermomechanical infrared detectors with optical reading, in which the displacement of the absorption element is measured by optical means.
  • thermomechanical infrared sensors is known in the prior art, by M. Steffanson & al., Opto-electronics Review, vol. 22, no. 1, pp. 1-15, 2014. This article describes different solutions for performing infrared thermomechanical detection. It teaches in particular the use of an absorption plate mounted suspended by means of support elements, which each have a deflection region at the level of an attachment with the plate. Each deflection region is made up of two superimposed plates which have separate coefficients of thermal expansion. When the absorption plate absorbs infrared radiation, it heats up and transmits heat to the deflection regions. Each region of deflection thus heated flexes, due to a difference in mechanical deformation between the two superimposed blades.
  • the deflection regions carry with them the absorption plate by tilting it.
  • the inclination is a function of an amount of infrared radiation absorbed by the absorption plate.
  • This inclination can be read by optical, capacitive, or piezoresistive means.
  • a collimated beam of visible light is sent to the absorption plate, on which it is reflected in the direction of a so-called “4f” mounting.
  • the assembly 4f comprises two lenses of the same focal length, with the image focal point of the first lens coinciding with the object focal point of the second lens.
  • the absorption plate extends in the focal plane object of the first lens.
  • a CCD sensor is placed in the image focal plane of the second lens, and receives a collimated light beam.
  • a filtering hole is arranged between the two lenses, centered on the image focal point of the first lens coinciding with the object focal point of the second lens. This filtering hole makes it possible to convert an inclination of the absorption plate into a reduction in the light intensity on the CCD sensor.
  • a disadvantage of this solution is that it has a large size, and requires high alignment accuracy of the elements of the optical reading system.
  • An objective of the present invention is to provide a device of the thermomechanical type for detecting electromagnetic radiation, based on an optical reading and offering less bulk and complexity in comparison with the prior art.
  • a device for detecting electromagnetic radiation comprising one or more so-called sensitive pixels formed on the same substrate, and in which each sensitive pixel comprises:
  • an absorption element mounted suspended above the substrate, and capable of absorbing incident electromagnetic radiation and of heating up in reaction to this absorption;
  • At least one support element arranged to keep the absorption element suspended above the substrate, the support element comprising at least one mechanical deformation element which is in thermal contact with the absorption element and suitable to flex in response to heating; a light source;
  • a photo-detector sensitive to at least one emission wavelength of the light source
  • the light source and the photo-detector being each arranged under the absorption element, in or on the substrate;
  • the first reflecting surface being integral with the mechanical deformation element, and arranged to reflect towards the photo-detector at least part of a light radiation emitted by the light source.
  • the absorption element can take the form of a plate, preferably a solid plate. According to other variants, it can take the form of a comb, with a series of teeth arranged parallel to each other and connected together by a connecting bar arranged preferably orthogonal to the teeth.
  • the absorption element is mounted suspended above the substrate by means of the at least one support element.
  • the at least one support element itself comprises at least one mechanical deformation element, in thermal contact with the absorption element.
  • the absorption element When the absorption element absorbs incident electromagnetic radiation, it heats up and transmits heat to the at least one mechanical deformation element.
  • the mechanical deformation element heats up, and flexes in response to this heating.
  • the mechanical deformation element advantageously consists of two zones having respective coefficients of thermal expansion distinct from one another.
  • these two zones expand under the effect of heat, each according to its own coefficient of thermal expansion.
  • the difference in coefficient of thermal expansion between the two zones generates a bending movement of the mechanical deformation element.
  • the mechanical deformation element is arranged integral with the first reflecting surface. Therefore, the bending movement of the deformation element mechanical results in a displacement of said first reflecting surface.
  • the displacement may comprise a rotation, tilting the absorption element relative to the plane of the substrate, and / or a translation along an axis orthogonal to the plane of the substrate.
  • the light source and the photo-detector each extend between the substrate and the absorption element, so that they take very little part in the total size of the device according to the invention.
  • the light source emits light radiation towards the first reflecting surface, which is reflected on the first reflecting surface, then returns to the substrate. Part of this light radiation propagates in particular from the light source to the photo-detector, passing through the first reflecting surface. This part of the light radiation emitted by the light source forms a measurement signal.
  • the orientation of the measurement signal at the output of the light source depends on the position of the first reflecting surface relative to the plane of the substrate.
  • the light source emits with a light intensity which is not the same in all directions of space (non-isotropic light source, in light intensity).
  • the orientation of the measurement signal is a function of the position of the first reflecting surface, and this orientation determines the light intensity of the measurement signal at the light source.
  • the source anisotropy is not essential. Indeed, even if the source is isotope, the solid angle under which the detector sees the source changes according to the angle of the board and therefore there is indeed a signal variation as soon as the board moves.
  • the source may be a planar LED, with an overall Lambertian emissive behavior.
  • the intensity of the measurement signal at the photo-detector simply corresponds to the intensity of the measurement signal at the light source, minus the optical losses linked to the propagation of the rays from the light source to photodetectors passing through the first reflecting surface.
  • a measurement of light intensity by the photo-detector therefore gives information on the first reflecting surface.
  • This information provides information on electromagnetic radiation that caused the first reflective surface to move. It is thus possible to detect electromagnetic radiation incident on the absorption element, which is in thermal contact with the mechanical deformation element arranged integral with the first reflecting surface.
  • This electromagnetic radiation can also be quantified, for example from a radiation diagram of the light source and of the light intensity measured by the photo detector.
  • the mechanical deformation element belongs to the support element of the absorption element. Consequently, according to an advantageous embodiment:
  • the first reflecting surface is formed integral with the absorption element, preferably parallel to the latter.
  • the first reflecting surface preferably belongs to a first reflector covering the absorption element, on the side of the substrate.
  • the first reflecting surface can be formed simply by the interface between two media with different optical indices, the optical indices being such that the light beam emitted by the light source is reflected at this interface (at least partial reflection).
  • One of the media is a gaseous medium or a surrounding vacuum.
  • the absorption element is capable of absorbing electromagnetic radiation in the infrared, at wavelengths greater than 800 nm, and the light source is capable of emitting radiation in the visible, at lengths d '' wave between 380 nm and 780 nm.
  • the light source is advantageously a light-emitting diode.
  • at least one sensitive pixel further comprises an optical mask extending at a distance from the absorption element, between the light source and the photo-detector on the one hand, and the absorption element on the other hand, capable of blocking radiation emitted by the light source and comprising through openings respectively opposite the light source and opposite the photo detector.
  • the optical mask may comprise at least one through opening situated opposite the light source, the at least one through opening forming patterns of dimension less than an emission wavelength of the light source, capable of reducing an angle of divergence of the rays emitted by the light source after they have passed through the at least one through opening.
  • the optical mask can be optically reflective on the side of the absorption element, at absorption wavelengths of the absorption element, and thus form a second reflector.
  • a distance between the absorption element and the second reflector is advantageously equal to lo / 4 plus or minus 20%, with lo the central wavelength of a spectral detection band of the device.
  • the support element (s) can be electrically isolated from the substrate, by at least one layer of electrical insulator.
  • At least one sensitive pixel further comprises an amplification element, arranged in thermal contact with the absorption element, and electrically connected to at least two electrical tracks in the substrate capable of circulating a current. electric in the amplification element.
  • the amplifying element may be made of a material having a negative resistance temperature coefficient.
  • the amplification element can be made of a phase transition material which has a very high resistance temperature coefficient around the phase transition, and located in thermal contact with a thermal regulation element at the phase transition temperature.
  • at least one sensitive pixel comprises at least one wall which extends at least between the light source and the photo-detector, for stopping light radiation at an emission wavelength of said light source.
  • the support element may comprise at least one arm comprising amorphous silicon or silicon dioxide or silicon nitride, located between the substrate and the mechanical deformation element.
  • the first reflecting surface is advantageously formed by a first reflector, which is textured so as to form a focusing optic capable of concentrating, on the photo-detector, light rays emitted by the light source and reflected on the first reflector.
  • the invention also relates to a system for measuring electromagnetic radiation comprising a device according to the invention, and a processor receiving as input a respective light intensity measured by each photo-detector of said device, the processor being configured to convert each light intensity value received as a photon flux value incident on one of the absorption elements of the device.
  • FIG. 2 illustrates schematically, in a sectional view, a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 4A to 4D schematically illustrate a third embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 5A to 5H illustrate a method of manufacturing a device according to the invention
  • FIG. 6A to 6D schematically illustrate a fourth embodiment of a device according to the invention.
  • Figures IA and IB schematically illustrate a sensitive pixel 10 of a device according to the invention for detecting electromagnetic radiation, more particularly infrared radiation.
  • the sensitive pixel 10 comprises an absorption plate 110, arranged suspended above a substrate 120.
  • the absorption plate 110 forms an infrared absorber, capable of absorbing incident infrared radiation and of heating in reaction to this. absorption.
  • the wavelengths absorbed range from 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, that is to say from the near infrared to the infrared.
  • the absorption plate 110 is for example made of a metal based on titanium or tantalum (Ti, TiN, Ta, TaN, etc.). It advantageously has an electrical resistivity close to the impedance of the vacuum (which is 377 W per square).
  • the absorption plate 110 is held suspended above the substrate 120 by means of at least one support element 130.
  • the at least one support element 130 here comprises:
  • one or more arms 132 each extending in a plane parallel to the plane of the substrate, in the absence of infrared radiation incident on the absorption plate 110;
  • Each mechanical deformation element 133 located here each directly on an arm 132, on the side opposite to the substrate 120.
  • Each mechanical deformation element 133, or bimetallic strip, or bi-material region is formed by a stack of two blades made respectively of a first material and of a second material with distinct and distant respective thermal expansion coefficients l of each other. For example, a ratio between the two coefficients of thermal expansion is greater than 1.2 or even greater than 1.5 and even greater than 2.
  • the two blades are superimposed along an axis orthogonal to a larger face of the element mechanical deformation, here an axis orthogonal to the plane of the substrate 120.
  • the first material is for example a dielectric, in particular a dielectric based on silicon (SiN, SiON, SiC, Si0 2 ) or a polymer (a resin SU8, for example ).
  • the second material is for example a metal or a semiconductor (Al, Si, W, Cu, Au, Ag, Ti, etc.).
  • a ratio between the coefficients of thermal expansion of the two materials is preferably greater than 10.
  • silicon and SU8 are used, offering a ratio of the coefficients of thermal expansion greater than 20.
  • the couple can be chosen SiN and Al for the first and second materials. Due to the difference in thermal expansion coefficients, when the mechanical deformation element heats up, it deforms by bending, or bending.
  • one of the blades defining the mechanical deformation element 133 is formed by at least part of the arm 132.
  • a process for manufacturing the mechanical deformation element 133 is thus simplified, involving the deposition of a single additional layer of material.
  • Each mechanical deformation element 133 extends near the absorption plate 110, preferably in direct physical contact with the latter, and in any event in thermal contact with the latter. Thus, when the absorption plate 110 heats up, it transmits heat to the mechanical deformation element, which deforms.
  • the mechanical deformation element 133 is not covered by the absorption plate 110, but rather extends next to the latter, on the side of the arm 132 opposite the substrate.
  • Each support element 130 comprises at least one region of thermal insulation, each between the substrate 120 and a mechanical deformation element 133.
  • the thermal insulation is provided here by the arm or arms 132, offering better thermal insulation than metal .
  • the arm (s) 132 are for example made of amorphous silicon or of silicon nitride.
  • the mechanical deformation element 133 extends over an arm 132, without protruding above a foot 131. This improves thermal insulation between the substrate 120 and the mechanical deformation element 133.
  • the foot (s) 131 can be made of the same material as the arm (s) 132. Alternatively, they can be made of a metal.
  • the absorption plate 110 is arranged to bear on the foot (s) 131 by means of the arm (s) 132.
  • FIG. 1A illustrates the sensitive pixel 10, with the absorption plate 110 which extends parallel to the plane of the substrate 120.
  • the sensitive pixel faces a scene at the temperature Tscl.
  • the absorption plate 110 is at a temperature Tpl1 (the temperature of the board depends on the incident infrared flux and on the thermal insulation with the substrate).
  • the device is dimensioned so that the temperature Tscl, for which the absorption plate extends parallel to the substrate, corresponds to the average temperature of an expected dynamic range of scene temperatures. For example, we want to image scenes at temperatures between -20 ° C and + 80 ° C, and the board is horizontal when the pixel faces a scene at + 30 ° C.
  • FIG. 1B illustrates the sensitive pixel 10 facing a scene at the temperature Tsc2 higher than Tscl.
  • the absorption plate 110 absorbs infrared radiation, and its temperature Tpl2 is then higher than Tpll.
  • the absorption plate 110 transmits part of its heat to the mechanical deformation element 133, which deforms by carrying with it the arm 132.
  • the mechanical deformation element 133 flexes (here, but so nonlimiting, in the direction of the substrate 120), which displaces the absorption plate 140 by tilting it relatively to the plane of the substrate 120.
  • a positioning of the absorption plate 110 relative to the substrate 120 is thus a function of a deflection of the mechanical deformation element 133.
  • the mechanical deformation element 133 forms a transduction region, reflecting a heating of the plate absorption 110 in a mechanical displacement, heating being itself a function of an infrared flux incident on the absorption plate 110.
  • the sensitive pixel 110 also comprises:
  • a light source 140 in particular a light-emitting diode (LED) arranged in or on the substrate 120;
  • a photo-detector 150 in particular a photodiode, arranged in or on the substrate 120, next to the light source 140.
  • a first reflector 190 covers the absorption plate 110, on the side of the substrate 120. It can extend contiguous directly against the absorption plate 110, or separated from the latter by an intermediate layer. In any event, it is arranged integral with the absorption plate 110, suspended with it above the substrate. It extends parallel to the absorption plate, in the same orientation in space.
  • the first reflector 190 preferably consists of a thin layer of metal (titanium, or aluminum, or platinum, or an alloy between at least two of these materials, etc.) attached to the absorption plate 110 on the side of the substrate 120.
  • the first reflector covers at least 90% of the surface of the absorption plate 110, on the substrate side 120, and can protrude beyond the absorption plate 110. It is optically reflective at a wavelength d emission of the light source 140. It has for example a reflection coefficient greater than or equal to 80% at the wavelength of a maximum emission of the light source 140.
  • the light source 140 emits radiation at wavelengths little or not absorbed by the absorption plate 110, preferably radiation centered on a wavelength belonging to the visible spectrum (between 380 nm and 780 nm). This avoids the radiation emitted by the light source participating in the heating of the plate absorption and falsifies the measurement of infrared radiation from an outdoor scene.
  • the first reflector 190 advantageously has a thickness of the order of magnitude of the skin thickness in the visible, and much less than the skin thickness in the infrared. It is thus possible to combine a high reflectivity at the emission wavelength of the light source 140, and a high transparency in the infrared, with wavelengths absorbed by the absorption plate 110.
  • the skin thickness d defines the depth to which an electromagnetic wave can propagate in a metal. It is defined by:
  • the skin thickness is 5 nm at a wavelength of 300 nm, and 87 nm at a wavelength of 10 pm.
  • a thickness of platinum of between 5 and 10 nm will act as a very good reflector at 300 nm (emission wavelength of the light source) while only very slightly attenuating the passage of the infrared wave.
  • the light source 140 emits with a light intensity which is a function of a direction of observation of said source 140. In other words, it emits with a light intensity which is a function of the direction of emission. It has a known radiation diagram, the radiation diagram giving the light intensity emitted as a function of an emission angle Q.
  • the light source 140 can in particular form a planar Lambertian emitter, emitting radiation whose light intensity is a function of cos (0), with Q the emission angle (Q is measured relative to the normal to the plane of the emitter, corresponding here to the normal to the plane of the substrate 120).
  • the emission diagram 40 of the light source 140 is shown in dotted lines.
  • the light source 140 emits radiation towards the absorption plate 110 and the first reflector 190. Part of this radiation is reflected on the first reflector 190, and returned to the photo-detector 150.
  • the photo detector 150 is suitable converting at least part of the light radiation emitted by the light source 140 and reflected on the first reflector into an electrical signal.
  • the absorption plate 110 extends parallel to the plane of the substrate 120.
  • the portion of the radiation emitted by the light source 140 which propagates to the photo-detector 150 passing through the first reflector 190 is a beam of small angular opening, centered on a ray having an emission angle q 1 .
  • the angle Q 1 is associated with a light intensity 4 emitted by the light source 140.
  • the absorption plate 110 extends inclined relative to the plane of the substrate 120.
  • the portion of the radiation emitted by the light source 140 which propagates to the photo detector 150 passing through the first reflector 190 is a beam of small angular opening, centered on a ray having an emission angle q 2 , with q 2 > q 1 .
  • the angle q 2 corresponds to a light intensity / 2 emitted by the light source 140.
  • q 2 > Q 1 results in cos (0 2 ) ⁇ cos ( é4) hence / 2 ⁇ .
  • the light intensity measured by the photo-detector 150 corresponds to the light intensity emitted by the light source 140 in the direction considered, less the optical losses linked in particular to the reflection on the first reflector 190.
  • the device according to the invention thus forms an infrared detector of the thermomechanical type with optical reading, offering great compactness and low alignment constraints.
  • no precise optical alignment is required, as long as the light source 140 and the photodetector 150 are arranged under the absorption plate 110, in or on the substrate 120.
  • the device according to the invention preferably comprises a plurality of sensitive pixels 10 sharing the same substrate 120.
  • the sensitive pixels are preferably distributed in a two-dimensional matrix, for example in rows and columns.
  • a radiation diagram extends along the three dimensions of space, and an orientation of the absorption plate is defined by two angles of a polar coordinate system.
  • the radiation diagram has a central symmetry about an axis orthogonal to the plane of the substrate, and the displacement of the absorption plate consists of a rotation around an axis parallel to the plane of the substrate. It is thus possible to define using a single angle, the orientation of a light ray propagating from the light source to the photodetector passing through the first reflector.
  • FIG. 2 schematically illustrates, in a sectional view, a pixel 20 of a first embodiment of a device according to the invention.
  • the substrate 220 is here a semiconductor substrate receiving connection circuits produced in CMOS technology, hereinafter called “CMOS substrate”.
  • the substrate 222 comprises conductive metal tracks 221, flush with its upper surface.
  • the light source 240 and the photo-detector 250 extend on the substrate 220.
  • the light source 240 is an LED based on gallium nitride, comprising a metal base 241, an upper electrode 242, and an active stack of LEDs 243.
  • the metal base 241 is not necessary for the operation of the LED, and comes from here of an advantageous method for producing LEDs based on gallium nitride (described with reference to FIGS. 5A and 5B).
  • the active stack of LEDs 243 comprises a quantum multi-well layer framed between layers of GaN and AIGaN doped N or P.
  • the quantum multi-well layer comprises for example quantum wells in InGaN.
  • the emission wavelength can be adjusted by varying an In / Ga ratio.
  • the light source 240 emits in the visible, in particular in the blue.
  • the metal base 241 extends contiguous against a first conductive track 221 of the substrate 220.
  • the photodetector 250 is a PiN diode (for English “Positive Intrinsic Negative diode”) comprising an upper electrode 251, and joined against a second conductive track 221 of the substrate 220.
  • PiN diode for English “Positive Intrinsic Negative diode”
  • a first layer of electrical insulator 261 extends over the substrate, surrounding the light source 240 and the photo-detector 250, and up to the height of an upper face of the active stack of LEDs 243.
  • the first layer of electrical insulator 261 extends in direct physical contact with the substrate 220, with the active stack of LEDs 243, and with the metal base 241 of the light source 240.
  • a second layer of electrical insulator 262 extends over the first layer of electrical insulator 261, on the side opposite to the substrate 220, covering the upper electrode 242 with the light source.
  • the second layer of electrical insulation 262 extends in direct physical contact with the first layer of electrical insulation 261 and with the upper electrode 242 of the light source.
  • the photodetector 250 is separated from the first and second layers of electrical insulator 261, 262 by a peripheral trench. This trench is filled with the material of a third layer of electrical insulation 263, which also covers the second layer of electrical insulation 262.
  • the third layer of electrical insulation 263 is for example made of Si0 2 .
  • the first, second and third layers of electrical insulator may each consist of a dielectric material.
  • the third layer of electrical insulator 263 is covered here with an optional barrier layer 264 to protect lower layers during the production of the absorption plate 210 and the support element 230. This is in particular a hydrofluoric acid etching stop layer, for example an AIN or AI 2 O 3 layer.
  • the absorption plate 210 is mounted suspended above the light source 240 and the photo-detector 250, by means of a support element 230 as described with reference to Figures IA and IB.
  • the support element 230 comprises in particular a foot 231.
  • This foot 231 assumes only a mechanical function. It can be made of a metal, in particular tungsten or copper, for example with growth by ECD (for “Electro-Chemical Deposition”). Alternatively, it can be made of a material offering a low thermal conductivity (amorphous silicon or silicon dioxide for example), in order to improve thermal insulation between the absorption plate and the substrate. Such a material is generally a poor electrical conductor, which does not pose any difficulty since here the foot does not assume an electrical function.
  • the foot 231 can have a diameter less than 500 nm, and even less than 300 nm. It is not electrically connected to integrated circuits in the substrate, and therefore does not pass through the layers of electrical insulator 261, 262, 263 to come into direct physical contact with conductive tracks of the substrate 220.
  • the pixel 20 also has optional walls 270, forming an optical barrier between the light source 240 and the photodetector 250 to prevent light radiation emitted by the light source 240 from propagating directly. up to the photo-detector 250 without reflection on the first reflector 290. This avoids blinding the photo-detector 250.
  • the light source 240 is entirely surrounded by walls 270, to further avoid direct emission on the photo-detectors of neighboring pixels.
  • the photo-detector 250 can be entirely surrounded by walls 270, in order to avoid reception of radiation coming directly from the light sources 240 of neighboring pixels.
  • the walls 270 are made of a material opaque to the emission wavelength of the light source 240, for example a metal such as copper or tungsten, or a semiconductor such as silicon, or even amorphous silicon.
  • the walls 270 extend at least up to the height of an upper face of the active stack of the LED 243, and preferably up to the height of an upper face of the third layer of electrical insulator 263, of the side opposite the substrate.
  • it is a sequence of lighting the light sources 240 and integrating the photo detectors 250 which makes it possible to limit the blindness of the photo detectors.
  • the pixel 20 also includes an optional mask 280.
  • the mask 280 consists of a solid layer, deposited above the substrate 220 and provided with through openings 281 respectively above the light source 240 and above the photo-detector 250.
  • the mask 280 consists of a material opaque to the emission wavelength of the light source 240. It makes it possible to limit crosstalk phenomena between neighboring pixels, and thus to improve a signal to noise ratio of the device according to the invention.
  • the mask 280 is made of an optically reflecting material in the infrared, at the wavelengths absorbed by the absorption plate 210. It can then be made of a metal such as aluminum, copper , titanium, titanium nitride, etc. It thus forms a second reflector, for returning to the absorption plate 210 infrared radiation having passed through the absorption plate 210 without being absorbed.
  • the second reflector 280 makes it possible to optimize the absorption of infrared radiation by the absorption plate 210.
  • absorption 210 is substantially equal to—, with l 0 the central wavelength of a
  • spectral band of detection of the device according to the invention spectral band absorbed by the absorption plate 210.
  • the distance D is measured in the absence of incident radiation on the absorption plate 210, and along an axis orthogonal to the plane of the substrate 210, from an upper face of the second reflector 280 to a lower face of the plate absorption 210.
  • the second reflector 280 and the absorption plate 210 thus form a quarter-wave cavity, which further optimizes the absorption of infrared radiation by the absorption plate 210.
  • the mask and second reflector 280 extends directly on the barrier layer 264, between the barrier layer 264 and the absorption plate 210. As a variant, the mask and second reflector 280 extends under the barrier layer 264, between the barrier layer 264 and the third layer of electrical insulation 263.
  • the second reflector can be formed from a solid layer transparent to the emission wavelength of the light source.
  • a mask can be formed separate from the second reflector.
  • the mask 280 may include subwavelength patterns facing the light source 240.
  • the subwavelength patterns locally modify the effective index seen by the light rays coming from the light source 240, to reduce an angle of divergence of these rays after crossing the mask. In other words, they generate a distribution of average optical index making it possible to reduce this angle of divergence, so that the beam emitted by light source 240 comes as close as possible to a collimated beam, after crossing the mask 280. It is thus possible to improve the collection of photons emitted by the light source 240.
  • the sub-wavelength patterns have dimensions smaller than the emission wavelength of the light source 240. They are etched in the mask 280, crossing it over its entire thickness, and replace a single opening opposite the light source 240.
  • the pixel 20 further comprises a sub-wavelength structure 291, forming a focusing optic for concentrating on the photodetector 250 light rays coming from the light source 240, and thus increasing the light intensity of the signal received by the photo-detector 250 for any position of the absorption plate 210.
  • the sub-wavelength structure 291, or sub-wavelength texturing is made up of patterns of dimension smaller than the emission wavelength of the light source 240, which locally modify the effective index seen by the light rays coming from said source 240. In other words, they generate a distribution of average optical index making it possible to reproduce the effect produced by a focusing lens.
  • the sub-wavelength structure 291 can be formed by local etchings in the thickness of the first reflector 290. Many variants can be implemented without departing from the scope of the invention, with for example:
  • - photo-detectors each formed by a PiN diode transferred onto the substrate, or by a diode formed directly in the material of the substrate.
  • the sensitive pixels of the same device according to the invention have identical light sources, with the same emission spectrum.
  • the sensitive pixels of the device according to the invention can be protected by encapsulation.
  • the pixels can each be encapsulated in an individual capsule.
  • the pixels can be encapsulated collectively, all of them arranged in the same cavity.
  • the invention also covers a measurement system, not shown, comprising a device according to the invention and a processor.
  • the processor is configured to receive as input the light intensities measured by the photo-detectors of the sensitive pixels of the device according to the invention, and to convert each light intensity value thus received into a photon flux value.
  • the system according to the invention preferably comprises a memory, storing calibration data used by the processor for said conversion.
  • the calibration data may include a radiation diagram of the light sources of the device according to the invention.
  • the processor is connected to said memory.
  • the processor outputs a grayscale image representing a distribution of infrared radiation over a surface along which the sensitive pixels of the device according to the invention extend.
  • FIGS. 3A to 3D schematically illustrate a pixel 30 of a second embodiment of a device according to the invention. This embodiment is described only for its differences relative to the embodiment of FIG. 2.
  • the absorption plate 310 is mounted suspended above the substrate 320, by means of feet 331 and arms.
  • the feet 331 are arranged at the four corners of the absorption plate 310, orthogonal to the substrate 320.
  • the arms extend in a plane parallel to the plane of the substrate 320. They comprise two first arms 3321 parallel to each other, each extending between two feet 331, and two second arms 3322, each connecting the a first arm 3321 and the absorption plate 310.
  • the second arms 3322 extend along an axis passing through the geometric center of the absorption plate 310. It can be considered that they together form the same single arm s 'extending from side to side of the pixel.
  • At least one of the second arms 3322 (here, the two) is at least partially covered with a respective mechanical deformation element 333.
  • each mechanical deformation element 333 is in direct physical contact with the absorption plate 310.
  • the arrangement of the feet 331, of the arms 3321, 3322, and of the mechanical deformation elements 333 has a planar symmetry relative to a plane orthogonal to the plane of the substrate and passing through the geometric center of the absorption plate 310.
  • the first reflector 390 consists of a board suspended above the substrate 320 by means of the arms and feet 331, on which the absorption plate 310 extends.
  • the absorption plate 310 has a surface slightly smaller than that of the first reflector 390.
  • the absorption plate 310 extends over the largest possible surface, at least equal to the surface which extends the first reflector 390.
  • the elements between the substrate 320 and the feet 331 are those described with reference to FIG. 2.
  • FIG. 3A is a top view of the pixel 30.
  • FIG. 3B is a sectional view of the pixel 30, in a plane AA 'orthogonal to the plane of the substrate 320 and aligned with the first arm 3321.
  • FIG. 3C is a sectional view of the pixel 30, in a plane BB 'orthogonal to the plane of the substrate 320 and passing through two feet 331 which are not connected by an arm.
  • FIG. 3D is a sectional view of the pixel 30, in a plane CC 'parallel to the plane BB' and passing through the two second arms 3322.
  • each pixel has four dedicated feet.
  • Many variants of arrangement of the feet and arms can be implemented without departing from the scope of the invention, for example with only two or even one dedicated foot per pixel, or with neighboring pixels sharing one or more feet, etc. .
  • the arms can join the absorption plate at the middle of two opposite edges of the plate, or at the end regions of two opposite edges of the plate, with said end regions located opposite. , or at two corners of the plate defining a diagonal, etc.
  • FIGS. 4A to 4D schematically illustrate a pixel 40 of a third embodiment of a device according to the invention. This embodiment is described only for its differences relative to the embodiment of Figures 3A to 3D.
  • the absorption plate 410 is mounted suspended above the substrate 420 by means of two feet 431 and two arms 432.
  • the feet 431 are inclined relative to the plane of the substrate 420, by an angle ⁇ for example between 30 ° and 60 °.
  • the arms 432 extend along an axis parallel to the plane of the substrate 420 and passing through an edge of the absorption plate 410.
  • Two reflection regions 433 each cover an arm 432 and an upper region of a foot 431.
  • the arrangement of the feet 431, of the arms 432, and of the mechanical deformation elements 433 has a planar symmetry relative to a plane orthogonal to the plane of the substrate and passing through the geometric center of the absorption plate 410.
  • FIG. 4A is a top view of the pixel 40.
  • FIG. 4B is a sectional view of the pixel 40, in a plane AA ′ orthogonal to the plane of the substrate 420 and aligned with a foot 431.
  • FIG. 4C is a sectional view of the pixel 40, in a plane BB ′ orthogonal to the plane of the substrate 320 and passing through the two arms 432.
  • FIG. 4D is a sectional view of the pixel 40, in a plane CC 'parallel to the plane AA' and passing through the geometric center of the absorption plate 410.
  • a deflection of the mechanical deformation elements 433 results in a rotation of the absorption plate 410 and of the first reflector 490 about an axis parallel to the plane of the substrate 420.
  • This embodiment offers a large filling ratio of the surface of the substrate by the absorption plates.
  • the feet extend under the absorption plate which they support, or under the absorption plate of a neighboring pixel. This variant makes it possible to further increase a filling ratio by the absorption plates.
  • CMOS substrate 520 receiving a plurality of conductive tracks 521 flush with its upper surface.
  • a structure is made up of an active layer of LED 5430 based on gallium nitride, placed between a transfer substrate 5440 and a layer of metal 5410.
  • the transfer substrate is for example made of silicon or sapphire.
  • the active layer of LED 5430 is produced by epitaxy.
  • the structure is bonded to the CMOS substrate 520, with the metal layer 5410 on the side of the conductive tracks 521.
  • the transfer substrate 5440 is removed.
  • An upper region can also be removed from the layer 5430 (buffer layer).
  • the active stacks of LEDs 543 and their respective metal bases 541 are aligned each on a respective conductive track 521 of the CMOS substrate 520.
  • the production of the LEDs 540 is finalized by forming a respective upper electrode 542, made of metal, on each active stack of LEDs 543.
  • the different LEDs 540 have the same emission spectrum, preferably monochromatic .
  • a first layer of electrical insulator 561 is then deposited which covers the CMOS substrate 520 and laterally encapsulates the LEDs 540.
  • each upper electrode 542 is connected to a respective conductive track of the CMOS substrate 520 by metallized vias, not shown, passing through the layers of electrical insulation (with steps).
  • the layers of electrical insulator 561, 562 are locally etched, up to the CMOS substrate 520, at the level of respective conductive tracks 521 substrate.
  • a respective PiN 550 diode for example made of amorphous silicon, is deposited in each opening etched in the fifth step.
  • a respective upper electrode 551 is produced on each PiN diode 550 (by depositing a metallic layer and etching), then a third layer of electrical insulator 563 is deposited.
  • the third layer of electrical insulator 563 covers the second layer of electrical insulator 562, and encapsulates the PiN diodes 550 and their respective upper electrodes in the openings etched in the fifth step.
  • the upper electrodes 551 are each connected to a conductive track of the CMOS substrate 520 by metallized vias passing through the layers of electrical insulator.
  • the absorption plates, the first reflectors and the support elements are then produced, using a sacrificial layer, in particular a mineral sacrificial layer.
  • a sacrificial layer of silicon dioxide or polyimide is etched at the end of the process, for example by etching with hydrofluoric acid in the vapor phase.
  • these lower layers can be covered with a stop layer 564 (see FIG. 5H).
  • the stop layer 564 is for example made of AI N, SiC, AI2O3, etc. It preferably has a thickness greater than 50 nm, or even less above the light sources and photo-detectors (to limit optical losses by absorption).
  • the light sources are LEDs, in particular GaN-based LEDs, these are advantageously formed on the substrate, before the photodiodes are produced when the photodiodes are PiN diodes, afterwards if the photodiodes are formed directly in the substrate (preferably a CMOS substrate).
  • the LEDs can be formed first on an original substrate, then hybridized on the CMOS substrate.
  • the method described with reference to FIGS. 5A and 5B is implemented.
  • the PiN diodes can be produced on the glass substrate (after making TFT driving transistors), then transfer LEDs (preferably GaN-based LEDs) to the substrate.
  • LEDs preferably GaN-based LEDs
  • LEDs can be produced directly on this substrate.
  • LEDs preferably GaN-based LEDs
  • PiN diodes are produced above an electrical insulator covering the LEDs
  • a barrier layer is deposited of the etching and the support elements are formed with their mechanical deformation elements and the absorption plates with their first reflectors.
  • TFT driving transistors FIGS. 6A to 6D schematically illustrate a pixel 60 of an embodiment of a device according to the invention, in which each pixel is further provided with a system for amplifying the thermal signal.
  • the device for amplifying the thermal signal comprises a layer 601 of a material having a strictly negative resistance temperature coefficient (TCR).
  • layer 601 is simply called “layer with negative TCR”, and forms an amplification element according to the invention.
  • the negative TCR layer 601 forms with the absorption element 610 a board 61 suspended above the substrate 620 (here by means of only two feet 631 and two arms 632).
  • FIG. 6A is a top view of the pixel 60, on which the absorption element 610 is hidden by the negative TCR layer 601.
  • FIG. 6B is a sectional view of the pixel 60, in a plane AA ′ orthogonal to the plane of the substrate 620 and passing through a foot 631 and an arm 632.
  • FIG. 6B shows how the negative TCR layer 601 is electrically connected to electrical tracks 625 of the substrate 620, via the arms 632 and the feet 631.
  • Each arm 632 comprises a filament 602 of electrically conductive material (for example TiN or TaN), embedded in a sheath 603 of thermally insulating material (for example amorphous silicon).
  • Each foot 631 is made of electrically conductive material and extends to the electrical track 625 of the substrate 620 through the layers of electrical insulator.
  • Each foot 631 is formed here in two parts, one to hold the board 61 suspended, the other which passes through the layers deposited above the substrate 620.
  • the foot 631 can be made of a metal such as copper, tungsten or tungsten-silicon.
  • FIG. 6C is a sectional view of the pixel 60, in a plane BB 'orthogonal to the plane of the substrate 620 and passing through the arms 632, at their respective points of contact with the suspended board 61.
  • FIG. 6D is a sectional view of the pixel 60, in a plane CC 'parallel to the plane BB' and passing through the center of the suspended board 61.
  • the absorption element 610 is here in the form of a comb made of infrared absorbing material.
  • Figures 6C and 6D show the teeth of the comb, in a sectional view.
  • the negative TCR layer 601 includes the comb, in particular passing between the teeth of the comb.
  • the teeth of the comb extend over approximately half of the surface of the layer with negative TCR 601.
  • the negative TCR layer 601 is for example made of amorphous silicon, VO x , c-V0 2 , etc. It has a thickness of between 20 nm and 200 nm.
  • the absorption element 610 is for example made of TiN.
  • the negative TCR layer 601 also includes electrical contacts 604, each located in the extension of the filament 602 of one of the arms 632, and intended to bring the current to the layer with negative TCR 601.
  • an electrical potential (constant or pulsed) is applied to the layer with negative TCR, by means of the feet 631 and filaments 602 in the arms 632.
  • the layer with negative TCR 601 is then crossed by an electric current not zero, flowing from one electrical track to the other of the substrate, passing through a first foot 631, a first filament 602 in an arm 632, the negative TCR layer 601, a second filament 602 in an arm 632, and a second foot 631.
  • the negative TCR layer 601 has an electrical resistance, which is a function of its temperature.
  • the temperature of the absorption element 610 increases, as does the temperature of the negative TCR layer 601 in thermal contact with the absorption element 610.
  • the power dissipated by the Joule effect in the layer with negative TCR 601 increases the temperature of the latter, which further decreases its electrical resistance, and therefore further increases the intensity of the electric current flowing in the negative TCR layer 601 and the power dissipated by the Joule effect in the latter.
  • the optical index of the layer to be TCR negative 601 makes it possible to obtain a reflection based simply on a difference in index with a vacuum or a surrounding gaseous medium (Fresnel reflection, with a reflection coefficient for example greater than or equal to 30%).
  • the signal emitted by the light source is therefore reflected on a first reflecting surface corresponding to a lower face of the negative TCR layer 601, on the substrate side.
  • This embodiment has the advantage of combining the negative TCR layer 601 and the absorption element 610 in a single suspended board.
  • the amplification element with negative TCR is crossed by an electric current, via the application of an electric potential, for example static, between said at least two electric tracks.
  • G th the thermal conductivity of the arms
  • R boi the electrical resistance of the amplifying element (at equilibrium temperature, before heating).
  • the absorption element 710 takes the form of a plate, deposited above the negative TRC layer 701 and separated from the latter by an electrical insulation layer 705.
  • FIG. 7A is a top view of the pixel 70, showing the absorption plate 710, here with a surface slightly smaller than that of the electrical insulation layer 705 covering the negative TRC layer 701.
  • FIG. 7B is a sectional view of the pixel 70, identical to FIG. 6B.
  • FIG. 7C is a sectional view of the pixel 70, in a plane BB 'orthogonal to the plane of the substrate 720 and passing through the arms 732, at their respective contact points with the negative TRC layer 701.
  • FIG. 7D is a sectional view of the pixel 70, in a plane CC 'parallel to the plane BB' and passing through the center of the negative TRC layer 701.
  • the sensitive elements can be surrounded by an encapsulation layer 808, to protect them during the evacuation of a sacrificial layer to form the absorption element suspended above the substrate .
  • the mechanical deformation elements and the absorption element are more particularly protected by encapsulation.
  • the amplification element is formed rather of a layer of a phase transition material, which has a very high resistance temperature coefficient around the phase transition (for example of the V0 2 crystallized).
  • a phase transition material for example, forms a metal or a semiconductor, depending on its temperature, with a sudden transition from one to the other.
  • the phase transition material is in thermal contact with the absorption element, as well as with a thermal regulation element (Peltier for example) to maintain its temperature close to its temperature of its phase transition.
  • a thermal regulation element Peltier for example
  • the phase transition material Around its phase transition temperature, the phase transition material exhibits a very large variation in resistivity.
  • a small variation in temperature induced by infrared absorption by the absorption element, results in a very large variation in resistivity of the phase transition material.
  • the large variation in resistivity results in an amplification of the temperature difference of the absorption element, and therefore a amplification of the bending of the mechanical deformation element, and therefore an amplification of a variation of signal detected by the photodiode.
  • amplification element is in thermal contact with the absorption element, preferably in direct physical contact, and that the amplification element is connected electrically to at least two electrical tracks of the substrate, preferably via arms and feet supporting the absorption element.
  • the mechanical deformation element jointly moves the absorption plate and the first reflector, the latter being attached to the absorption plate on the substrate side.
  • the mechanical deformation element it is not necessary for the mechanical deformation element to be able to move the absorption plate. It suffices that he can move the first reflector, in response to a change in temperature.
  • the invention therefore covers variants, not shown, in which the first reflector is not attached to the absorption plate.
  • the mechanical deformation element remains in thermal contact with the absorption plate, but it is not necessarily rigidly fixed to the latter. On the other hand, it is always rigidly fixed to the first reflector, on the one hand, and to the substrate, on the other hand.
  • rigidly means without degree of freedom at the level of the attachment. It can be fixed to the substrate or to the first reflector indirectly, for example by means of the arms and feet which carry the absorption plate in suspension.
  • a first reflector which deflects at least part of a light radiation emitted by the light source towards the photo-detector. More generally, we can speak rather of a first reflecting surface, including not only a metallic layer but also an interface between two media of different indices making it possible to obtain a Fresnel reflection.
  • a single photo-detector and a single light source per pixel of the device according to the invention both of square shape.
  • a pixel may include a strip-shaped light source and point photo-detectors distributed on either side of the light source (preferably symmetrically on either side of the strip).
  • a pixel may comprise a strip-shaped light source, and one or more photo-detectors also in strip form. It is thus possible to measure a greater total quantity of signal.
  • pixels of the same line of pixels of the device according to the invention can share the same light source in the form of a strip, which extends along said line of pixels. This simplifies the addressing of the pixels of the device according to the invention.
  • the invention is the quantity of light reflected on a suspended element which gives information on the thermal contrast of the scene.
  • This solution offers numerous advantages with regard to the prior art, in particular in terms of compactness and simplicity of the arrangement (no remote complex optical system). If we compare to the field of bolometers, the invention also offers many advantages, in particular:
  • thermometer material attached to the absorption plate, the latter possibly being a microelectric contaminant.
  • the invention radiation is measured. There is no direct physical contact between a contact surface and an object to be imaged, nor is there a heating system.
  • the first reflector does not have an opening facing the light source.
  • the invention is applicable in many fields: infrared imaging, thermography, infrared sensors, gas detection by measuring optical absorption in the infrared spectrum, detection or recognition of elements (people or objects), detection or recognition of movements in the infrared spectrum (for example to detect the activity of people), etc.

Landscapes

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Abstract

Détecteur infrarouge comprenant un ou plusieurs pixels (10) formés sur un substrat (120), où chaque pixel comprend : un élément d'absorption (110), monté suspendu au-dessus du substrat, apte à s'échauffer en réaction l'absorption d'un rayonnement infrarouge; un élément de soutien (130)pour maintenir l'élément d'absorption suspendu au- dessus du substrat, qui comprend au moins un élément de déformation mécanique (133) qui est en contact thermique avec l'élément d'absorption et apte à se fléchir en réaction à un échauffement; une source lumineuse (140) et un photo-détecteur (150) agencés sous l'élément d'absorption (110), dans ou sur le substrat (120); et une première surface réfléchissante (190),pour réfléchir vers le photo-détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse, et solidaire de l'élément de déformation mécanique. Le détecteur selon l'invention forme un détecteur infrarouge thermomécanique à lecture optique, offrant une grande compacité et de faibles contraintes d'alignement.

Description

DÉTECTEUR INFRAROUGE THERMOMÉCANIQUE À LECTURE OPTIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne le domaine des détecteurs infrarouge de type thermomécanique, dans lesquels un élément d'absorption se déplace plus ou moins en fonction d'une quantité de rayonnement électromagnétique infrarouge absorbée.
L'invention se rapporte plus particulièrement au domaine des détecteurs infrarouge thermomécaniques à lecture optique, dans lesquels le déplacement de l'élément d'absorption est mesuré par des moyens optiques.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît dans l'art antérieur l'article « Microthermomechanical infrared sensors », par M. Steffanson & al., Opto-electronics Review, vol. 22, no. 1, pp. 1-15, 2014. Cet article décrit différentes solutions pour réaliser une détection infrarouge de type thermomécanique. Il enseigne en particulier l'utilisation d'une plaque d'absorption montée suspendue par l'intermédiaire d'éléments de soutien, lesquels présentent chacun une région de déflexion au niveau d'un rattachement avec la plaque. Chaque région de déflexion est constituée de deux lames superposées qui présentent des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts. Lorsque la plaque d'absorption absorbe un rayonnement infrarouge, elle s'échauffe et transmet de la chaleur aux régions de déflexion. Chaque région de déflexion ainsi chauffée se fléchit, en raison d'une différence de déformation mécanique entre les deux lames superposées. En se fléchissant, les régions de déflexion entraînent avec elles la plaque d'absorption en l'inclinant. L'inclinaison est une fonction d'une quantité de rayonnement infrarouge absorbée par la plaque d'absorption. Cette inclinaison peut être lue par des moyens optiques, capacitifs, ou piézo-résistifs. Dans le cas d'une lecture optique, un faisceau collimaté de lumière visible est envoyé sur la plaque d'absorption, sur laquelle il est réfléchi en direction d'un montage dit « 4f ». Le montage 4f comprend deux lentilles de même focale, avec le point focal image de la première lentille coïncidant avec le point focal objet de la seconde lentille. La plaque d'absorption s'étend dans le plan focal objet de la première lentille. Un capteur CCD est disposé dans le plan focal image de la seconde lentille, et reçoit un faisceau lumineux collimaté. Un trou de filtrage est disposé entre les deux lentilles, centré sur le point focal image de la première lentille coïncidant avec le point focal objet de la seconde lentille. Ce trou de filtrage permet de convertir une inclinaison de la plaque d'absorption en une diminution de l'intensité lumineuse sur le capteur CCD.
Un inconvénient de cette solution est qu'elle présente un encombrement important, et requiert une grande précision d'alignement des éléments du système de lecture optique.
Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de type thermomécanique pour détecter un rayonnement électromagnétique, basé sur une lecture optique et offrant un encombrement et une complexité moindres en comparaison avec l'art antérieur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint avec un dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique comprenant un ou plusieurs pixels dits sensibles formés sur un même substrat, et dans lequel chaque pixel sensible comprend :
un élément d'absorption, monté suspendu au-dessus du substrat, et apte à absorber un rayonnement électromagnétique incident et à s'échauffer en réaction à cette absorption ;
au moins un élément de soutien, agencé pour maintenir l'élément d'absorption suspendu au-dessus du substrat, l'élément de soutien comprenant au moins un élément de déformation mécanique qui est en contact thermique avec l'élément d'absorption et apte à se fléchir en réaction à un échauffement ; une source lumineuse ;
un photo-détecteur, sensible à au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse ; et
une première surface réfléchissante, optiquement réfléchissante à l'au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse ; la source lumineuse et le photo-détecteur étant agencés chacun sous l'élément d'absorption, dans ou sur le substrat ; et
la première surface réfléchissante étant solidaire de l'élément de déformation mécanique, et agencée pour réfléchir vers le photo-détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse.
L'élément d'absorption peut prendre la forme d'une plaque, de préférence une plaque pleine. Selon d'autres variantes, il peut prendre une forme de peigne, avec une série de dents agencées parallèles entre elles et reliées entre elles par une barre de liaison agencée de préférence orthogonale aux dents.
L'élément d'absorption est monté suspendu au-dessus du substrat par l'intermédiaire de l'au moins un élément de soutien.
L'au moins un élément de soutien comprend lui-même au moins un élément de déformation mécanique, en contact thermique avec l'élément d'absorption.
Lorsque l'élément d'absorption absorbe un rayonnement électromagnétique incident, elle s'échauffe et transmet de la chaleur à l'au moins un élément de déformation mécanique. L'élément de déformation mécanique s'échauffe, et se fléchit en réaction à cet échauffement.
En pratique, l'élément de déformation mécanique est avantageusement constitué de deux zones présentant des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts l'un de l'autre. Lorsque l'élément de déformation mécanique s'échauffe, ces deux zones se dilatent sous l'effet de la chaleur, chacune selon son coefficient d'expansion thermique propre. La différence de coefficient d'expansion thermique entre les deux zones génère un mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique.
L'élément de déformation mécanique est agencé solidaire de la première surface réfléchissante. Par conséquent, le mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique se traduit par un déplacement de ladite première surface réfléchissante. Le déplacement peut comprendre une rotation, inclinant l'élément d'absorption relativement au plan du substrat, et/ou une translation selon un axe orthogonal au plan du substrat.
La source lumineuse et le photo-détecteur s'étendent chacun entre le substrat et l'élément d'absorption, de sorte qu'ils participent très peu à l'encombrement total du dispositif selon l'invention.
En fonctionnement, la source lumineuse émet un rayonnement lumineux en direction de la première surface réfléchissante, lequel est réfléchi sur la première surface réfléchissante, puis revient vers le substrat. Une partie de ce rayonnement lumineux se propage en particulier depuis la source lumineuse jusqu'au photo-détecteur, en passant par la première surface réfléchissante. Cette partie du rayonnement lumineux émis par la source lumineuse forme un signal de mesure. L'orientation du signal de mesure en sortie de la source lumineuse dépend de la position de la première surface réfléchissante relativement au plan du substrat.
Selon un mode de réalisation, la source lumineuse émet avec une intensité lumineuse qui n'est pas la même dans toutes les directions de l'espace (source lumineuse non isotrope, en intensité lumineuse). L'orientation du signal de mesure est fonction de la position de la première surface réfléchissante, et cette orientation détermine l'intensité lumineuse du signal de mesure au niveau de la source lumineuse.
On notera que l'anisotropie de la source n'est pas essentielle. En effet, même si la source est isotope, l'angle solide sous lequel le détecteur voit la source change en fonction de l'angle de la planche et par conséquent il y a bien une variation de signal dès que la planche bouge.
Selon un mode de réalisation, la source peut-être une LED planaire, avec un comportement émissif globalement Lambertien.
L'intensité du signal de mesure au niveau du photo-détecteur correspond simplement à l'intensité du signal de mesure au niveau de la source lumineuse, diminuée des pertes optiques liées à la propagation des rayons depuis la source lumineuse jusqu'au photo-détecteurs en passant par la première surface réfléchissante. Une mesure d'intensité lumineuse par le photo-détecteur donne donc une information sur la première surface réfléchissante. Cette information renseigne sur un rayonnement électromagnétique ayant provoqué un déplacement de la première surface réfléchissante. On peut ainsi détecter un rayonnement électromagnétique incident sur l'élément d'absorption, lequel est en contact thermique avec l'élément de déformation mécanique agencé solidaire de la première surface réfléchissante. On peut également quantifier ce rayonnement électromagnétique, par exemple à partir d'un diagramme de rayonnement de la source lumineuse et de l'intensité lumineuse mesurée par le photo détecteur.
On remarque que l'élément de déformation mécanique appartient à l'élément de soutien de l'élément d'absorption. Par conséquent, selon un mode de réalisation avantageux :
le mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique se traduit par un déplacement de l'élément d'absorption, et
la première surface réfléchissante est formée solidaire de l'élément d'absorption, de préférence parallèle à cette dernière.
La première surface réfléchissante appartient de préférence à un premier réflecteur recouvrant l'élément d'absorption, du côté du substrat.
En variante, la première surface réfléchissante peut être formée simplement par l'interface entre deux milieux d'indices optiques différents, les indices optiques étant tels que le faisceau lumineux émis par la source lumineuse est réfléchi à cette interface (réflexion au moins partielle). L'un des milieux est un milieu gazeux ou un vide environnant.
De préférence, l'élément d'absorption est apte à absorber un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde supérieures à 800 nm, et la source lumineuse est apte à émettre un rayonnement dans le visible, à des longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm.
La source lumineuse est avantageusement une diode électroluminescente. Selon un mode de réalisation avantageux, l'un au moins pixel sensible comporte en outre un masque optique s'étendant à distance de l'élément d'absorption, entre la source lumineuse et le photo-détecteur d'une part, et l'élément d'absorption d'autre part, apte à bloquer un rayonnement émis par la source lumineuse et comportant des ouvertures traversantes respectivement en vis-à-vis de la source lumineuse et en vis-à-vis du photo détecteur.
Le masque optique peut comporter au moins une ouverture traversante située en vis-à-vis de la source lumineuse, l'au moins une ouverture traversante formant des motifs de dimension inférieure à une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse, aptes à réduire un angle de divergence des rayons émis par la source lumineuse après qu'ils aient traversé l'au moins une ouverture traversante.
Le masque optique peut être optiquement réfléchissant du côté de l'élément d'absorption, à des longueurs d'onde d'absorption de l'élément d'absorption, et former ainsi un second réflecteur.
Une distance entre l'élément d'absorption et le second réflecteur est avantageusement égale à lo/4 plus ou moins 20%, avec lo la longueur d'onde centrale d'une bande spectrale de détection du dispositif.
Dans l'un au moins pixel sensible, le ou les élément(s) de soutien peut être isolé électriquement du substrat, par au moins une couche d'isolant électrique.
De manière avantageuse, l'un au moins pixel sensible comporte en outre un élément d'amplification, agencé en contact thermique avec l'élément d'absorption, et électriquement connecté à au moins deux pistes électriques dans le substrat aptes à faire circuler un courant électrique dans l'élément d'amplification.
L'élément d'amplification peut être constitué d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance négatif.
En variante, l'élément d'amplification peut être constitué d'un matériau à transition de phase qui présente un très fort coefficient de température de résistance autour de la transition de phase, et situé en contact thermique avec un élément de régulation thermique à la température de transition de phase. Avantageusement, l'un au moins pixel sensible comporte au moins une paroi qui s'étend au moins entre la source lumineuse et le photo-détecteur, pour arrêter un rayonnement lumineux à une longueur d'onde d'émission de ladite source lumineuse.
L'élément de soutien peut comporter au moins un bras comprenant du silicium amorphe ou du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, situé entre le substrat et l'élément de déformation mécanique.
La première surface réfléchissante est avantageusement formée par un premier réflecteur, lequel est texturé de manière à former une optique de focalisation apte à concentrer, sur le photo-détecteur, des rayons lumineux émis par la source lumineuse et réfléchis sur le premier réflecteur.
L'invention se rapporte également à un système de mesure d'un rayonnement électromagnétique comprenant un dispositif selon l'invention, et un processeur recevant en entrée une intensité lumineuse respective mesurée par chaque photo-détecteur dudit dispositif, le processeur étant configuré pour convertir chaque valeur d'intensité lumineuse reçue en une valeur de flux photonique incident sur l'un élément d'absorption du dispositif.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures IA et IB illustrent de manière schématique le principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;
- les figures 3A à 3D illustrent de manière schématique un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;
- les figures 4A à 4D illustrent de manière schématique un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 5A à 5H illustrent un procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention ;
- les figures 6A à 6D illustrent de manière schématique un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; et
- les figures 7A à 7D, et 8, illustrent de manière schématique un cinquième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures IA et IB illustrent de manière schématique un pixel sensible 10 d'un dispositif selon l'invention pour détecter un rayonnement électromagnétique, plus particulièrement un rayonnement infrarouge.
Le pixel sensible 10 comprend une plaque d'absorption 110, agencée suspendue au- dessus d'un substrat 120. La plaque d'absorption 110 forme un absorbeur infrarouge, apte à absorber un rayonnement infrarouge incident et à s'échauffer en réaction à cette absorption. Les longueurs d'ondes absorbées vont de 1 pm à 20 pm, c'est-à-dire du proche infrarouge à l'infrarouge. La plaque d'absorption 110 est par exemple constituée d'un métal à base de titane ou de tantale (Ti, TiN, Ta, TaN, etc.). Elle présente avantageusement une résistivité électrique proche de l'impédance du vide (qui est de 377 W par carré).
La plaque d'absorption 110 est maintenue suspendue au-dessus du substrat 120 grâce à au moins un élément de soutien 130. L'au moins un élément de soutien 130 comporte ici :
- un ou plusieurs pieds 131, s'étendant chacun selon un axe orthogonal au plan du substrat ;
- un ou plusieurs bras 132, s'étendant chacun dans un plan parallèle au plan du substrat, en l'absence de rayonnement infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110 ; et
- un ou plusieurs éléments de déformation mécanique 133, situés ici chacun directement sur un bras 132, du côté opposé au substrat 120. Chaque élément de déformation mécanique 133, ou bilame, ou région bi- matériaux, est formé d'un empilement de deux lames constituées respectivement d'un premier matériau et d'un second matériau avec des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts et éloignés l'un de l'autre. Par exemple, un rapport entre les deux coefficients d'expansion thermique est supérieur à 1,2 voire même supérieur à 1,5 et même supérieur à 2. Les deux lames sont superposées selon un axe orthogonal à une plus grande face de l'élément de déformation mécanique, ici un axe orthogonal au plan du substrat 120. Le premier matériau est par exemple un diélectrique, notamment un diélectrique à base de silicium (SiN, SiON, SiC, Si02) ou un polymère (une résine SU8, par exemple). Le second matériau est par exemple un métal ou un semiconducteur (Al, Si, W, Cu, Au, Ag, Ti, etc.). Un rapport entre les coefficients d'expansion thermique des deux matériaux est de préférence supérieur à 10. On utilise par exemple du Silicium et du SU8, offrant un rapport des coefficients d'expansion thermique supérieur à 20. En variante, on peut choisir le couple SiN et Al pour les premier et second matériaux. Du fait de la différence des coefficients d'expansion thermique, lorsque l'élément de déformation mécanique s'échauffe, il se déforme en se fléchissant, ou pliant.
Selon une variante avantageuse, l'une des lames définissant l'élément de déformation mécanique 133 est formée par une partie au moins du bras 132. Un procédé de fabrication de l'élément de déformation mécanique 133 est ainsi simplifié, impliquant le dépôt d'une seule couche supplémentaire de matériau.
Chaque élément de déformation mécanique 133 s'étend à proximité de la plaque d'absorption 110, de préférence en contact physique direct avec cette dernière, et en tout état de cause en contact thermique avec cette dernière. Ainsi, lorsque la plaque d'absorption 110 s'échauffe, elle transmet de la chaleur à l'élément de déformation mécanique, lequel se déforme.
De préférence, l'élément de déformation mécanique 133 n'est pas recouvert par la plaque d'absorption 110, mais s'étend plutôt à côté de cette dernière, du côté du bras 132 opposé au substrat. Chaque élément de soutien 130 comporte au moins une région d'isolation thermique, chacune entre le substrat 120 et un élément de déformation mécanique 133. L'isolation thermique est apportée ici par le ou les bras 132, offrant une meilleure isolation thermique que le métal. Le ou les bras 132 sont par exemple en silicium amorphe ou en nitrure de silicium. De préférence, l'élément de déformation mécanique 133 s'étend sur un bras 132, sans dépasser jusqu'au-dessus d'un pied 131. On améliore ainsi une isolation thermique entre le substrat 120 et l'élément de déformation mécanique 133.
Le ou les pieds 131 peuvent être constitués d'un même matériau que le ou les bras 132. En variante, ils peuvent être constitués d'un métal.
La plaque d'absorption 110 est agencée en appui sur le ou les pieds 131 par l'intermédiaire du ou des bras 132.
La figure IA illustre le pixel sensible 10, avec la plaque d'absorption 110 qui s'étend parallèle au plan du substrat 120. Le pixel sensible fait face à une scène à la température Tscl. La plaque d'absorption 110 est à une température Tpll (la température de la planche dépend du flux infrarouge incident et de l'isolation thermique avec le substrat). De préférence, le dispositif est dimensionné pour que la température Tscl, pour laquelle la plaque d'absorption s'étend parallèle au substrat, corresponde à la température moyenne d'une dynamique de températures de scène attendue. Par exemple, on souhaite imager des scènes à des températures entre -20°C et +80°C, et la planche est horizontale lorsque le pixel fait face à une scène à +30°C.
La figure IB illustre le pixel sensible 10 faisant face à une scène à la température Tsc2 supérieure à Tscl. La plaque d'absorption 110 absorbe le rayonnement infrarouge, et sa température Tpl2 est alors supérieure à Tpll. La plaque d'absorption 110 transmet une partie de sa chaleur à l'élément de déformation mécanique 133, lequel se déforme en entraînant avec lui le bras 132. En particulier, l'élément de déformation mécanique 133 se fléchit (ici, mais de manière non limitative, en direction du substrat 120), ce qui déplace la plaque d'absorption 140 en l'inclinant relativement au plan du substrat 120. Un positionnement de la plaque d'absorption 110 relativement au substrat 120 est ainsi fonction d'un fléchissement de l'élément de déformation mécanique 133. L'élément de déformation mécanique 133 forme une région de transduction, traduisant un échauffement de la plaque d'absorption 110 en un déplacement mécanique, réchauffement étant lui-même fonction d'un flux infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110.
Le pixel sensible 110 comporte en outre :
- une source lumineuse 140, en particulier une diode électroluminescente (LED) agencée dans ou sur le substrat 120 ; et
- un photo-détecteur 150, en particulier une photodiode, agencé dans ou sur le substrat 120, à côté de la source lumineuse 140.
Un premier réflecteur 190 recouvre la plaque d'absorption 110, du côté du substrat 120. Il peut s'étendre accolé directement contre la plaque d'absorption 110, ou séparé de celle-ci par une couche intermédiaire. En tout état de cause, il est agencé solidaire de la plaque d'absorption 110, suspendu avec elle au-dessus du substrat. Il s'étend parallèle à la plaque d'absorption, selon une même orientation dans l'espace. Le premier réflecteur 190 est constitué de préférence d'une fine couche de métal (titane, ou aluminium, ou platine, ou un alliage entre au moins deux de ces matériaux, etc.) accolée à la plaque d'absorption 110 du côté du substrat 120. Le premier réflecteur recouvre au moins 90% de la surface de la plaque d'absorption 110, côté substrat 120, et peut dépasser au-delà de la plaque d'absorption 110. Il est optiquement réfléchissant à une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 140. Il présente par exemple un coefficient de réflexion supérieur ou égal à 80% à la longueur d'onde d'un maximum d'émission de la source lumineuse 140.
La source lumineuse 140 émet un rayonnement à des longueurs d'onde peu ou pas absorbées par la plaque d'absorption 110, de préférence un rayonnement centré sur une longueur d'onde appartenant au spectre visible (entre 380 nm et 780 nm). On évite ainsi que le rayonnement émis par la source lumineuse participe à réchauffement de la plaque d'absorption et fausse la mesure d'un rayonnement infrarouge provenant d'une scène extérieure.
Le premier réflecteur 190 présente avantageusement une épaisseur de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de peau dans le visible, et très inférieure à l'épaisseur de peau dans l'infrarouge. On peut ainsi combiner une forte réflectivité à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 140, et une grande transparence dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde absorbées par la plaque d'absorption 110. Pour rappel, l'épaisseur de peau d définit la profondeur jusqu'à laquelle une onde électromagnétique peut se propager dans un métal. Elle est définie par :
Figure imgf000014_0001
avec m0 la perméabilité magnétique du vide, s la conductivité électrique du métal et w la pulsation de l'onde électromagnétique. Par exemple, pour une onde en incidence normale sur du platine, l'épaisseur de peau est de 5 nm à une longueur d'onde de 300 nm, et 87 nm à une longueur d'onde de 10 pm. Ainsi, une épaisseur de platine comprise entre 5 et 10 nm agira comme un très bon réflecteur à 300 nm (longueur d'onde d'émission de la source lumineuse) tout en n'atténuant que très peu le passage de l'onde infrarouge.
La source lumineuse 140 émet avec une intensité lumineuse qui est fonction d'une direction d'observation de ladite source 140. En d'autres termes, elle émet avec une intensité lumineuse qui est fonction de la direction d'émission. Elle présente un diagramme de rayonnement connu, le diagramme de rayonnement donnant l'intensité lumineuse émise en fonction d'un angle d'émission Q. La source lumineuse 140 peut former en particulier un émetteur planaire lambertien, émettant un rayonnement dont l'intensité lumineuse est fonction de cos(0), avec Q l'angle d'émission (Q est mesuré relativement à la normale au plan de l'émetteur, correspondant ici à la normale au plan du substrat 120). Sur les figures IA et IB, on a représenté en pointillés le diagramme d'émission 40 de la source lumineuse 140. La source lumineuse 140 émet un rayonnement en direction de la plaque d'absorption 110 et du premier réflecteur 190. Une partie de ce rayonnement est réfléchie sur le premier réflecteur 190, et renvoyée sur le photo-détecteur 150. Le photo détecteur 150 est apte à convertir en un signal électrique au moins une partie du rayonnement lumineux émis par la source lumineuse 140 et réfléchi sur le premier réflecteur.
Pour la température de scène Tscl, et comme illustré en figure IA, la plaque d'absorption 110 s'étend parallèle au plan du substrat 120. La portion du rayonnement émis par la source lumineuse 140 qui se propage jusqu'au photo-détecteur 150 en passant par le premier réflecteur 190 est un faisceau de faible ouverture angulaire, centré sur un rayon présentant un angle d'émission q1. L'angle Q1 est associé à une intensité lumineuse 4 émise par la source lumineuse 140.
Pour la température de scène Tsc2 > Tscl, et comme illustré en figure IB, la plaque d'absorption 110 s'étend inclinée relativement au plan du substrat 120. La portion du rayonnement émis par la source lumineuse 140 qui se propage jusqu'au photo-détecteur 150 en passant par le premier réflecteur 190 est un faisceau de faible ouverture angulaire, centré sur un rayon présentant un angle d'émission q2, avec q2 > q1. L'angle q2 correspond à une intensité lumineuse /2 émise par la source lumineuse 140. Dans le cas d'une source lumineuse 140 formant un émetteur planaire lambertien, q2 > Q1 se traduit par cos(02) < cos (é4) d'où /2 < .
L'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150 correspond à l'intensité lumineuse émise par la source lumineuse 140 dans la direction considérée, diminuée des pertes optiques liées notamment à la réflexion sur le premier réflecteur 190.
On peut ainsi relier une information relative à une intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150, et une information relative à un flux infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110, depuis le côté opposé au substrat 120. On peut mesurer une variation de flux infrarouge, à partir d'une variation d'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150. En variante, on peut mesurer une valeur de flux infrarouge, à partir d'une valeur d'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150. L'information relative à un flux infrarouge peut être obtenue à partir d'un diagramme de rayonnement de la source lumineuse 140 et/ou en utilisant des données de calibration déterminées expérimentalement ou par calculs (notamment pour s'affranchir de l'influence des pertes optiques liées à la réflexion sur le premier réflecteur 190).
Le dispositif selon l'invention forme ainsi un détecteur infrarouge de type thermomécanique à lecture optique, offrant une grande compacité et de faibles contraintes d'alignement. En particulier, aucun alignement optique précis n'est requis, tant que la source lumineuse 140 et le photo-détecteur 150 sont agencés sous la plaque d'absorption 110, dans ou sur le substrat 120.
Pour des raisons de lisibilité des figures, on a illustré un unique pixel sensible du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comporte de préférence une pluralité de pixels sensibles 10 partageant le même substrat 120. Les pixels sensibles sont répartis de préférence selon une matrice en deux dimensions, par exemple en lignes et en colonnes.
Pour des raisons de clarté, on a illustré le fonctionnement du dispositif à l'aide de vues en coupe. Formellement, un diagramme de rayonnement s'étend selon les trois dimensions de l'espace, et une orientation de la plaque d'absorption est définie par deux angles d'un système de coordonnées polaires. De manière avantageuse, le diagramme de rayonnement présente une symétrie centrale autour d'un axe orthogonal au plan du substrat, et le déplacement de la plaque d'absorption est constitué d'une rotation autour d'un axe parallèle au plan du substrat. On peut ainsi définir à l'aide d'un seul angle, l'orientation d'un rayon lumineux se propageant de la source lumineuse au photo détecteur en passant par le premier réflecteur.
La figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un pixel 20 d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Le substrat 220 est ici un substrat semiconducteur recevant des circuits de connexion réalisés en technologie CMOS, nommé dans la suite « substrat CMOS ». Le substrat 222 comporte des pistes conductrices en métal 221, affleurant à sa surface supérieure.
La source lumineuse 240 et le photo-détecteur 250 s'étendent sur le substrat 220. La source lumineuse 240 est une LED à base de nitrure de gallium, comportant une base métallique 241, une électrode supérieure 242, et un empilement actif de LED 243. La base métallique 241 n'est pas nécessaire au fonctionnement de la LED, et provient ici d'un procédé avantageux de réalisation de LEDs à base de nitrure de gallium (décrit en référence aux figures 5A et 5B). L'empilement actif de LED 243 comporte une couche à multi-puits quantiques encadrée entre des couches de GaN et AIGaN dopées N ou P. La couche à multi-puits quantiques comporte par exemple des puits quantiques en InGaN. La longueur d'onde d'émission peut être ajustée en faisant varier un rapport In/Ga. La source lumineuse 240 émet dans le visible, en particulier dans le bleu. La base métallique 241 s'étend accolée contre une première piste conductrice 221 du substrat 220.
Le photo-détecteur 250 est une diode PiN (pour l'anglais « Positive Intrinsic Négative diode ») comportant une électrode supérieure 251, et accolée contre une deuxième piste conductrice 221 du substrat 220.
Une première couche d'isolant électrique 261 s'étend sur le substrat, en entourant la source lumineuse 240 et le photo-détecteur 250, et jusqu'à hauteur d'une face supérieure de l'empilement actif de LED 243. La première couche d'isolant électrique 261 s'étend en contact physique direct avec le substrat 220, avec l'empilement actif de LED 243, et avec la base métallique 241 de la source lumineuse 240.
Une deuxième couche d'isolant électrique 262 s'étend sur la première couche d'isolant électrique 261, du côté opposé au substrat 220, en recouvrant l'électrode supérieure 242 de la source lumineuse. La deuxième couche d'isolant électrique 262 s'étend en contact physique direct avec la première couche d'isolant électrique 261 et avec l'électrode supérieure 242 de la source lumineuse.
Le photo-détecteur 250 est séparé des première et deuxième couches d'isolant électrique 261, 262 par une tranchée périphérique. Cette tranchée est remplie par le matériau d'une troisième couche d'isolant électrique 263, laquelle recouvre également la deuxième couche d'isolant électrique 262. La troisième couche d'isolant électrique 263 est par exemple en Si02. Les première, deuxième et troisième couches d'isolant électrique peuvent être constituées chacune d'un matériau diélectrique. La troisième couche d'isolant électrique 263 est recouverte ici d'une couche d'arrêt 264, optionnelle, pour protéger des couches inférieures lors de la réalisation de la plaque d'absorption 210 et l'élément de soutien 230. Il s'agit en particulier d'une couche d'arrêt à la gravure à l'acide fluorhydrique, par exemple une couche en AIN ou AI2O3.
La plaque d'absorption 210 est montée suspendue au-dessus de la source lumineuse 240 et du photo-détecteur 250, par l'intermédiaire d'un élément de soutien 230 tel que décrit en référence aux figures IA et IB.
L'élément de soutien 230 comporte en particulier un pied 231. Ce pied 231 assume uniquement une fonction mécanique. Il peut être constitué d'un métal, notamment du tungstène ou du cuivre, par exemple avec croissance par ECD (pour « Electro-Chemical Déposition») En variante, il peut être constitué d'un matériau offrant une faible conductivité thermique (silicium amorphe ou dioxyde de silicium par exemple), afin d'améliorer une isolation thermique entre la plaque d'absorption et le substrat. Un tel matériau est généralement mauvais conducteur électrique, ce qui ne pose pas de difficulté puisqu'ici le pied n'assume pas de fonction électrique. Le pied 231 peut présenter un diamètre inférieur à 500 nm, et même inférieur à 300 nm. Il n'est pas connecté électriquement à des circuits intégrés dans le substrat, et ne traverse donc pas les couches d'isolant électrique 261, 262, 263 pour venir en contact physique direct avec des pistes conductrices du substrat 220.
Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre des parois 270, optionnelles, formant barrière optique entre la source lumineuse 240 et le photo détecteur 250 pour empêcher qu'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse 240 se propage directement jusqu'au photo-détecteur 250 sans réflexion sur le premier réflecteur 290. On évite ainsi d'aveugler le photo-détecteur 250. Ici, la source lumineuse 240 est entièrement entourée par des parois 270, pour éviter en outre une émission directe sur les photo-détecteurs de pixels voisins. En complément ou en variante, le photo-détecteur 250 peut être entièrement entouré par des parois 270, pour éviter la réception de rayonnements provenant directement des sources lumineuses 240 de pixels voisins. Les parois 270 sont constituées d'un matériau opaque à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240, par exemple un métal tel que le cuivre ou le tungstène, ou un semi-conducteur tel que le silicium, ou même du silicium amorphe. Les parois 270 s'étendent au moins jusqu'à hauteur d'une face supérieure de l'empilement actif de la LED 243, et de préférence jusqu'à hauteur d'une face supérieure de la troisième couche d'isolant électrique 263, du côté opposé au substrat. En variante, c'est une séquence d'allumage des sources lumineuses 240 et d'intégration des photo détecteurs 250 qui permet de limiter l'aveuglement des photo-détecteurs.
Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre un masque 280, optionnel. Le masque 280 est constitué d'une couche pleine, déposée au-dessus du substrat 220 et munie d'ouvertures traversantes 281 respectivement au-dessus de la source lumineuse 240 et au-dessus du photo-détecteur 250. Le masque 280 est constitué d'un matériau opaque à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240. Il permet de limiter des phénomènes de crosstalk entre des pixels voisins, et ainsi d'améliorer un rapport signal sur bruit du dispositif selon l'invention.
De préférence, le masque 280 est constitué d'un matériau optiquement réfléchissant dans l'infrarouge, aux longueurs d'onde absorbées par la plaque d'absorption 210. Il peut alors être constitué d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre, le titane, le nitrure de titane, etc. Il forme ainsi un second réflecteur, pour renvoyer vers la plaque d'absorption 210 un rayonnement infrarouge ayant traversé la plaque d'absorption 210 sans être absorbé. Le second réflecteur 280 permet d'optimiser l'absorption d'un rayonnement infrarouge par la plaque d'absorption 210.
Avantageusement, une distance D entre le second réflecteur 280 et la plaque
À
d'absorption 210 est sensiblement égale à—, avec l0 la longueur d'onde centrale d'une
4
bande spectrale de détection du dispositif selon l'invention (bande spectrale absorbée par la plaque d'absorption 210). Par sensiblement égal, on entend égal à plus ou moins 20% près, et même à plus ou moins 10% près. La distance D est mesurée en l'absence d'un rayonnement incident sur la plaque d'absorption 210, et selon un axe orthogonal au plan du substrat 210, depuis une face supérieure du second réflecteur 280 jusqu'à une face inférieure de la plaque d'absorption 210. Le second réflecteur 280 et la plaque d'absorption 210 forment ainsi une cavité quart-d'onde, ce qui permet d'optimiser encore l'absorption d'un rayonnement infrarouge par la plaque d'absorption 210. Dans l'exemple illustré en figure 2, le masque et second réflecteur 280 s'étend directement sur la couche d'arrêt 264, entre la couche d'arrêt 264 et la plaque d'absorption 210. En variante, le masque et second réflecteur 280 s'étend sous la couche d'arrêt 264, entre la couche d'arrêt 264 et la troisième couche d'isolant électrique 263.
Selon d'autres variantes non représentées, le second réflecteur peut être formé d'une couche pleine transparente à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse. Un masque peut être formé distinct du second réflecteur.
Selon une autre variante avantageuse, non représentée, le masque 280 peut comporter des motifs sub-longueur d'onde en vis-à-vis de la source lumineuse 240. Les motifs sub-longueur d'onde modifient localement l'indice effectif vu par les rayons lumineux provenant de la source lumineuse 240, pour réduire un angle de divergence de ces rayons après traversée du masque. En d'autres termes, ils génèrent une répartition d'indice optique moyen permettant de réduire cet angle de divergence, de manière à ce que le faisceau émis par source lumineuse 240 se rapproche le plus proche possible d'un faisceau collimaté, après traversée du masque 280. On peut ainsi améliorer la collection des photons émis par la source lumineuse 240. Les motifs sub-longueur d'onde présentent des dimensions inférieures à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240. Ils sont gravés dans le masque 280, en le traversant sur toute son épaisseur, et remplacent une unique ouverture en vis-à-vis de la source lumineuse 240.
Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre une structure sub longueur d'onde 291, formant une optique de focalisation pour concentrer sur le photo détecteur 250 des rayons lumineux provenant de la source lumineuse 240, et augmenter ainsi l'intensité lumineuse du signal reçu par le photo-détecteur 250 pour toute position de la plaque d'absorption 210. La structure sub-longueur d'onde 291, ou texturation sub longueur d'onde, est constituée de motifs de dimension inférieure à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240, qui modifient localement l'indice effectif vu par les rayons lumineux provenant de ladite source 240. En d'autres termes, ils génèrent une répartition d'indice optique moyen permettant de reproduire l'effet produit par une lentille de focalisation. La structure sub-longueur d'onde 291 peut être formée par gravures locales dans l'épaisseur du premier réflecteur 290. De nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention, avec par exemple :
- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat CMOS ;
- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat TFT en verre (les LED sont réalisées sur un substrat annexe puis reportées sur le substrat TFT en verre) ;
- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat TFT en saphir ;
- des photo-détecteurs formés chacun d'une diode PiN reportée sur le substrat, ou d'une diode formée directement dans le matériau du substrat.
De préférence, les pixels sensibles d'un même dispositif selon l'invention présentent des sources lumineuses identiques, avec le même spectre d'émission.
Les pixels sensibles du dispositif selon l'invention peuvent être protégés par une encapsulation. Les pixels peuvent être encapsulés chacun dans une capsule individuelle. En variante, les pixels peuvent être encapsulés de manière collective, tous disposés dans une même cavité.
L'invention couvre également un système de mesure, non représenté, comprenant un dispositif selon l'invention et un processeur. Le processeur est configuré pour recevoir en entrée des intensités lumineuses mesurées par les photo-détecteurs des pixels sensibles du dispositif selon l'invention, et pour convertir chaque valeur d'intensité lumineuse ainsi reçue en une valeur de flux photonique. Le système selon l'invention comporte de préférence une mémoire, stockant des données de calibration utilisées par le processeur pour ladite conversion. Les données de calibration peuvent comprendre un diagramme de rayonnement des sources lumineuses du dispositif selon l'invention. Le processeur est relié à ladite mémoire. Le processeur fournit en sortie une image en niveaux de gris, représentant une répartition d'un rayonnement infrarouge sur une surface selon laquelle s'étendent les pixels sensibles du dispositif selon l'invention.
Les figures 3A à 3D illustrent de manière schématique un pixel 30 d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure 2. La plaque d'absorption 310 est montée suspendue au-dessus du substrat 320, par l'intermédiaire de pieds 331 et de bras. Les pieds 331 sont agencés aux quatre coins de la plaque d'absorption 310, orthogonaux au substrat 320.
Pour une température de scène Tscl, les bras s'étendent dans un plan parallèle au plan du substrat 320. Ils comprennent deux premiers bras 3321 parallèles entre eux, s'étendant chacun entre deux pieds 331, et deux second bras 3322, reliant chacun l'un premier bras 3321 et la plaque d'absorption 310. Les second bras 3322 s'étendent selon un axe passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 310. On peut considérer qu'ils forment ensemble un même et unique bras s'étendant d'un côté à l'autre du pixel.
L'un au moins des second bras 3322 (ici, les deux) est au moins partiellement recouvert d'un élément de déformation mécanique respectif 333. De préférence, chaque élément de déformation mécanique 333 est en contact physique direct avec la plaque d'absorption 310.
L'agencement des pieds 331, des bras 3321, 3322, et des éléments de déformation mécanique 333 présente une symétrie planaire relativement à un plan orthogonal au plan du substrat et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 310.
Ici, le premier réflecteur 390 est constitué d'une planche suspendue au-dessus du substrat 320 par l'intermédiaire des bras et des pieds 331, sur laquelle s'étend la plaque d'absorption 310. Dans l'exemple illustré ici, mais de manière non limitative, la plaque d'absorption 310 présente une surface légèrement inférieure à celle du premier réflecteur 390. Dans des variantes préférées, la plaque d'absorption 310 s'étend sur la plus grande surface possible, au moins égale à la surface selon laquelle s'étend le premier réflecteur 390.
Les éléments entre le substrat 320 et les pieds 331 sont ceux décrits en référence à la figure 2.
La figure 3A est une vue de dessus du pixel 30.
La figure 3B est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 320 et aligné avec l'un premier bras 3321. La figure 3C est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 320 et passant par deux pieds 331 qui ne sont pas reliés par un bras.
La figure 3D est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par les deux second bras 3322.
Du fait leur agencement, un fléchissement des régions de réflexion 333 se traduit ici par une translation de la plaque d'absorption 310 et du premier réflecteur selon un axe orthogonal au plan du substrat. Le principe de fonctionnement reste le même que celui détaillé en référence aux figures IA et IB.
Dans l'exemple représenté sur les figures 3A à 3D, chaque pixel comporte quatre pieds dédiés. De nombreuses variantes d'agencement des pieds et des bras peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention, par exemple avec seulement deux voire un seul pied dédié par pixel, ou avec des pixels voisins partageant un ou plusieurs pieds, etc. Les bras peuvent rejoindre la plaque d'absorption au niveau du milieu de deux bords opposés de la plaque, ou au niveau de régions d'extrémité de deux bords opposés de la plaque, avec lesdites régions d'extrémité situées en vis-à-vis, ou au niveau de deux coins de la plaque définissant une diagonale, etc.
Les figures 4A à 4D illustrent de manière schématique un pixel 40 d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation des figures 3A à 3D.
La plaque d'absorption 410 est montée suspendue au-dessus du substrat 420 par l'intermédiaire de deux pieds 431 et de deux bras 432.
Les pieds 431 sont inclinés relativement au plan du substrat 420, d'un angle a compris par exemple entre 30° et 60°.
Les bras 432 s'étendent selon un axe parallèle au plan du substrat 420et passant par un bord de la plaque d'absorption 410.
Deux régions de réflexion 433 recouvrent chacune un bras 432 et une zone supérieure d'un pied 431. L'agencement des pieds 431, des bras 432, et des éléments de déformation mécanique 433 présente une symétrie planaire relativement à un plan orthogonal au plan du substrat et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 410.
La figure 4A est une vue de dessus du pixel 40.
La figure 4B est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 420 et aligné avec un pied 431.
La figure 4C est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 320 et passant par les deux bras 432.
La figure 4D est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan CC' parallèle au plan AA' et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 410.
Ici, un fléchissement des éléments de déformation mécanique 433 se traduit par une rotation de la plaque d'absorption 410 et du premier réflecteur 490 autour d'un axe parallèle au plan du substrat 420. Ce mode de réalisation offre un grand rapport de remplissage de la surface du substrat par les plaques d'absorption. Dans des variantes avantageuses, les pieds s'étendent sous la plaque d'absorption qu'ils soutiennent, ou sous la plaque d'absorption d'un pixel voisin. Cette variante permet d'augmenter encore un rapport de remplissage par les plaques d'absorption.
On décrit ensuite, en référence aux figures 5A à 5H, un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention.
On part d'un substrat CMOS 520 recevant une pluralité de pistes conductrices 521 affleurant à sa surface supérieure. Dans une première étape illustrée en figure 5A, on réalise une structure constituée d'une couche active de LED 5430 à base de nitrure de gallium, disposée entre un substrat de report 5440 et une couche de métal 5410. Le substrat de report est par exemple en silicium ou en saphir. La couche active de LED 5430 est réalisée par épitaxie. La structure est collée sur le substrat CMOS 520, avec la couche de métal 5410 du côté des pistes conductrices 521.
Dans une deuxième étape illustrée en figure 5B, on retire le substrat de report 5440. On peut retirer également une région supérieure de la couche 5430 (couche de buffer). On réalise ensuite des gravures locales de la couche active de LED 5430 et la couche de métal 5410, jusqu'au substrat CMOS 520, pour former une série d'empilements actifs de LED 543 à base de nitrure de gallium avec leurs bases métalliques respectives 541. Les empilements actifs de LED 543 et leurs bases métalliques respectives 541 sont alignés chacun sur une piste conductrices 521 respective du substrat CMOS 520.
Dans une troisième étape illustrée en figure 5C, on finalise la réalisation des LED 540 en formant une électrode supérieure 542 respective, en métal, sur chaque empilement actif de LED 543. Les différentes LED 540 présentent un même spectre d'émission, de préférence monochromatique. On dépose ensuite une première couche d'isolant électrique 561 qui recouvre le substrat CMOS 520 et encapsule latéralement les LED 540.
Dans une quatrième étape illustrée en figure 5D, on recouvre les LED 540 et la première couche d'isolant électrique 561 par une deuxième couche d'isolant électrique 562. Chaque électrode supérieure 542 est reliée à une piste conductrice respective du substrat CMOS 520 par des vias métallisés, non représentés, traversant les couches d'isolant électrique (avec des marches).
Dans une cinquième étape illustrée en figure 5E, on grave localement les couches d'isolant électrique 561, 562, jusqu'au substrat CMOS 520, au niveau de pistes conductrices respectives 521 substrat.
Dans une sixième étape illustrée en figure 5F, on dépose, dans chaque ouverture gravée à la cinquième étape, une diode PiN 550 respective, par exemple en silicium amorphe.
Dans une septième étape illustrée en figure 5G, on réalise une électrode supérieure respective 551 sur chaque diode PiN 550 (par dépôt de couche métallique et gravure), puis on dépose une troisième couche d'isolant électrique 563. La troisième couche d'isolant électrique 563 recouvre la deuxième couche d'isolant électrique 562, et encapsule les diodes PiN 550 et leurs électrodes supérieures respectives dans les ouvertures gravées à la cinquième étape. Les électrodes supérieures 551 sont reliées chacune à une piste conductrice du substrat CMOS 520 par des vias métallisés traversant les couches d'isolant électrique. On réalise ensuite les plaques d'absorption, les premiers réflecteurs et les éléments de soutien, en utilisant une couche sacrificielle, notamment une couche sacrificielle minérale. On peut notamment utiliser une couche sacrificielle en dioxyde de silicium ou en polyimide. La couche sacrificielle est gravée en fin de procédé, par exemple par gravure à l'acide fluorhydrique en phase vapeur. Afin de protéger des couches inférieures lors de la gravure de la couche sacrificielle, on peut recouvrir ces couches inférieures d'une couche d'arrêt 564 (voir figure 5H). La couche d'arrêt 564 est par exemple en AI N, SiC, AI2O3, etc. Elle présente de préférence une épaisseur supérieure à 50 nm, voire moins au-dessus des sources lumineuses et des photo-détecteurs (pour limiter des pertes optiques par absorption).
En fonction des variantes souhaitées pour le dispositif selon l'invention, l'homme du métier saura adapter le procédé selon l'invention.
Si les sources lumineuses sont des LED, en particulier des LED à base de GaN, celles- ci sont avantageusement formées sur le substrat, avant la réalisation des photodiodes lorsque les photodiodes sont des diodes PiN, après si les photodiodes sont formées directement dans le substrat (de préférence un substrat CMOS).
Si le substrat est un substrat CMOS, les LED (de préférence des LED à base de GaN) peuvent être formées d'abord sur un substrat d'origine, puis hybridées sur le substrat CMOS. En variante, on met en œuvre le procédé décrit en référence aux figures 5A et 5B.
Si le substrat est en verre, on peut réaliser les diodes PiN sur le substrat verre (après réalisation de transistors de pilotage TFT), puis reporter des LED (de préférence des LED à base de GaN) sur le substrat.
Si le substrat est en saphir, on peut réaliser des LED (de préférence des LED à base de GaN) directement sur ce substrat. Par exemple, on réalise des LED (de préférence des LED à base de GaN) sur un substrat en saphir, puis on réalise des diodes PiN au-dessus d'un isolant électrique recouvrant les LED, et enfin on dépose une couche d'arrêt de la gravure et on forme les éléments de soutien avec leurs éléments de déformation mécanique et les plaques d'absorption avec leurs premiers réflecteurs. Ce mode de réalisation implique la réalisation de transistors de pilotage de type TFT. Les figures 6A à 6D illustrent de manière schématique un pixel 60 d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, dans lequel chaque pixel est muni en outre d'un système d'amplification du signal thermique.
Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation des figures 3A à 3D. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'amplification du signal thermique comprend une couche 601 d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance (TCR) strictement négatif. Dans la suite, la couche 601 est nommée simplement « couche à TCR négatif », et forme un élément d'amplification selon l'invention.
La couche à TCR négatif 601 forme avec l'élément d'absorption 610 une planche 61 suspendue au-dessus du substrat 620 (ici par l'intermédiaire de seulement deux pieds 631 et deux bras 632).
La figure 6A est une vue de dessus du pixel 60, sur laquelle l'élément d'absorption 610 est caché par la couche à TCR négatif 601.
La figure 6B est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 620 et passant par un pied 631 et un bras 632. La figure 6B montre comment la couche à TCR négatif 601 est reliée électriquement à des pistes électriques 625 du substrat 620, par l'intermédiaire des bras 632 et des pieds 631.
Chaque bras 632 comporte un filament 602 en matériau électriquement conducteur (par exemple du TiN ou du TaN), noyé dans une gaine 603 en matériau thermiquement isolant (par exemple du silicium amorphe). Chaque pied 631 est en matériau électriquement conducteur et s'étend jusqu'à la piste électrique 625 du substrat 620 en traversant les couches d'isolant électrique. Chaque pied 631 est constitué ici en deux parties, l'une pour maintenir suspendue la planche 61, l'autre qui traverse les couches déposées au-dessus du substrat 620. Le pied 631 peut être constitué d'un métal tel que du cuivre, du tungstène ou du tungstène-silicium.
La figure 6C est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 620 et passant par les bras 632, au niveau de leurs prises de contact respectives avec la planche suspendue 61. La figure 6D est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par le centre de la planche suspendue 61.
Comme illustré notamment sur les figures 6C et 6D, l'élément d'absorption 610 se présente ici sous la forme d'un peigne en matériau absorbeur infrarouge. Les figures 6C et 6D montrent les dents du peigne, dans une vue en coupe. La couche à TCR négatif 601 englobe le peigne, en passant notamment entre les dents du peigne. Les dents du peigne s'étendent sur environ la moitié de la surface de la couche à TCR négatif 601.
La couche à TCR négatif 601 est par exemple en silicium amorphe, en VOx, en c-V02, etc. Elle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 200 nm.
L'élément d'absorption 610 est par exemple en TiN.
Sur les figures 6C et 6D, on voit que la couche à TCR négatif 601 englobe en outre des contacts électriques 604, situés chacun dans le prolongement du filament 602 de l'un des bras 632, et destinés à amener le courant jusqu'à la couche à TCR négatif 601.
En fonctionnement, on applique un potentiel électrique (constant ou pulsé) à la couche à TCR négatif, par l'intermédiaire des pieds 631 et des filaments 602 dans les bras 632. La couche à TCR négatif 601 est alors traversée par un courant électrique non nul, circulant d'une piste électrique à l'autre du substrat, en passant par un premier pied 631, un premier filament 602 dans un bras 632, la couche à TCR négatif 601, un second filament 602 dans un bras 632, et un second pied 631.
La couche à TCR négatif 601 présente une résistance électrique, qui est fonction de sa température. Lorsque l'élément d'absorption 610 absorbe un rayonnement infrarouge, la température de l'élément d'absorption 610 augmente, ainsi que la température de la couche à TCR négatif 601 en contact thermique avec l'élément d'absorption 610.
Lorsque la température de la couche à TCR négatif 601 augmente, la résistance électrique de cette dernière diminue, ce qui augmente l'intensité du courant électrique qui circule dans la couche à TCR négatif 601, et donc la puissance dissipée par effet Joule dans la couche à TCR négatif 601.
La puissance dissipée par effet Joule dans la couche à TCR négatif 601 augmente la température de cette dernière, ce qui diminue encore sa résistance électrique, et donc augmente encore l'intensité du courant électrique qui circule dans la couche à TCR négatif 601 et la puissance dissipée par effet Joule dans cette dernière.
On voit donc que par un effet en boucle, l'augmentation en température de la couche à TCR négatif 601 est fortement amplifiée. L'augmentation en température de l'élément d'absorption 610 se trouve ainsi fortement amplifiée également, puisque ce dernier est en contact thermique avec la couche à TCR négatif 601.
On réalise ainsi une amplification d'une élévation en température de l'élément d'absorption 610, qui se traduit par une amplification de l'amplitude de fléchissement de l'élément de déformation mécanique, et donc une amplification d'une variation de signal mesurée au niveau du photo-détecteur.
On remarque que, dans ce mode de réalisation, on peut s'affranchir d'un premier réflecteur dédié pour réfléchir le signal émis par la source lumineuse sous l'élément d'absorption 610. En effet, l'indice optique de la couche à TCR négatif 601 permet d'obtenir une réflexion basée simplement sur une différence d'indice avec un vide ou un milieu gazeux environnant (réflexion de Fresnel, avec un coefficient de réflexion par exemple supérieur ou égal à 30%). Le signal émis par la source lumineuse est donc réfléchi sur une première surface réfléchissante correspondant à une face inférieure de la couche à TCR négatif 601, côté substrat.
Ce mode de réalisation présente l'avantage de réunir la couche à TCR négatif 601 et l'élément d'absorption 610 dans une seule et même planche suspendue.
En fonctionnement, l'élément d'amplification à TCR négatif est traversé par un courant électrique, via l'application d'un potentiel électrique, par exemple statique, entre lesdites au moins deux pistes électriques.
On peut montrer qu'il existe une valeur limite du potentiel appliqué à l'élément d'amplification, au-delà de laquelle le phénomène d'amplification de la variation de température peut s'emballer. En particulier, le potentiel doit rester inférieur à :
Figure imgf000029_0001
avec a le TCR,
Gth la conductivité thermique des bras, et Rboi la résistance électrique de l'élément d'amplification (à une température d'équilibre, avant échauffement).
Dans une alternative illustrée aux figures 7A à 7B, l'élément d'absorption 710 prend la forme d'une plaque, déposée au-dessus de la couche à TRC négatif 701 et séparée de cette dernière par une couche d'isolation électrique 705.
Les figures 7A à 7D ne seront décrites que pour leurs différences relativement aux figures 6A à 6D.
La figure 7A est une vue de dessus du pixel 70, montrant la plaque d'absorption 710, ici de surface légèrement inférieure à celle de la couche d'isolation électrique 705 recouvrant la couche à TRC négatif 701.
La figure 7B est une vue en coupe du pixel 70, identique à la figure 6B.
La figure 7C est une vue en coupe du pixel 70, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 720 et passant par les bras 732, au niveau de leurs prises de contact respectives avec la couche à TRC négatif 701.
La figure 7D est une vue en coupe du pixel 70, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par le centre de la couche à TRC négatif 701.
Selon une autre variante illustrée en figure 8, les éléments sensibles peuvent être entourés par une couche d'encapsulation 808, pour les protéger lors de l'évacuation d'une couche sacrificielle pour former l'élément d'absorption suspendu au-dessus du substrat. Les éléments de déformation mécanique et l'élément d'absorption sont plus particulièrement protégés par l'encapsulation.
Selon une autre variante, non représentée, l'élément d'amplification est formé plutôt d'une couche d'un matériau à transition de phase, qui présente un très fort coefficient de température de résistance autour de la transition de phase (par exemple du V02 cristallisé). Un matériau à transition de phase forme par exemple un métal ou un semiconducteur, selon sa température, avec un passage brutal de l'un à l'autre.
Le matériau à transition de phase est en contact thermique avec l'élément d'absorption, ainsi qu'avec un élément de régulation thermique (Peltier par exemple) pour maintenir sa température proche de sa température de sa transition de phase. Autour de sa température de transition de phase, le matériau à transition de phase présente une très forte variation de résistivité. Ainsi, une faible de variation de température, induite par l'absorption infrarouge par l'élément d'absorption, se traduit par une très forte variation de résistivité du matériau à transition de phase. En faisant circuler un courant dans le matériau à transition de phase, et de la même façon que décrit ci-dessus, la forte variation de résistivité se traduit par une amplification de la différence de température de l'élément d'absorption, et donc une amplification de la flexion de l'élément de déformation mécanique, et donc une amplification d'une variation de signal détecté par la photodiode.
De nombreuses autres variantes peuvent être mises en œuvre, ayant comme point commun que l'élément d'amplification est en contact thermique avec l'élément d'absorption, de préférence en contact physique direct, et que l'élément d'amplification est relié électriquement à au moins deux pistes électriques du substrat, de préférence via des bras et pieds de soutien de l'élément d'absorption.
Dans tous les exemples ci-avant, l'élément de déformation mécanique déplace conjointement la plaque d'absorption et le premier réflecteur, ce dernier étant accolé à la plaque d'absorption côté substrat.
On comprend cependant qu'il n'est pas nécessaire que l'élément de déformation mécanique soit apte à déplacer la plaque d'absorption. Il suffit qu'il puisse déplacer le premier réflecteur, en réponse à un changement de température. L'invention couvre donc des variantes, non représentées, dans lesquelles le premier réflecteur n'est pas accolé à la plaque d'absorption. L'élément de déformation mécanique reste en contact thermique avec la plaque d'absorption, mais il n'est pas forcément fixé de façon rigide à cette dernière. En revanche, il est toujours fixé de façon rigide au premier réflecteur, d'une part, et au substrat, d'autre part. Par « de façon rigide », on entend sans degré de liberté au niveau de la fixation. Il peut être fixé au substrat ou au premier réflecteur indirectement, par l'intermédiaire par exemple des bras et pieds qui portent la plaque d'absorption en suspension. De la même façon, dans la plupart des exemples développés ci-avant, on a mentionné un premier réflecteur, qui dévie vers le photo-détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse. De façon plus générale, on peut parler plutôt d'une première surface réfléchissante, incluant non seulement une couche métallique mais également une interface entre deux milieux d'indices différents permettant d'obtenir une réflexion de Fresnel.
Dans tous les exemples mentionnés ci-avant, on a prévu un unique photo-détecteur et une unique source lumineuse par pixel du dispositif selon l'invention, tous deux de forme carrée. De nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, un pixel peut comporter une source lumineuse en forme de bande et des photo-détecteurs ponctuels répartis de part et d'autre de la source lumineuse (de préférence symétriquement de part et d'autre de la bande). En variante, un pixel peut comporter une source lumineuse en forme de bande, et un ou plusieurs photo-détecteurs également en forme de bande. On peut ainsi mesurer une quantité totale de signal plus importante. Selon d'autres variantes, des pixels d'une même ligne de pixels du dispositif selon l'invention peuvent partager une même source lumineuse en forme de bande, qui s'étend selon ladite ligne de pixels. On simplifie ainsi un adressage des pixels du dispositif selon l'invention.
Selon l'invention, c'est la quantité de lumière réfléchie sur un élément suspendu qui donne une information sur le contraste thermique de la scène. Cette solution offre de nombreux avantages au regard de l'art antérieur, notamment en termes de compacité et de simplicité de l'agencement (pas de système optique complexe déporté). Si l'on compare au domaine des bolomètres, l'invention offre également de nombreux avantages, en particulier:
- une immunité vis-à-vis de l'éblouissement solaire, au contraire d'une détection utilisant une thermistance qui peut garder une empreinte après un chauffage à haute température ;
- un processus de fabrication simplifié, en l'absence de connexion électrique entre le substrat et la plaque d'absorption suspendue ; - l'absence d'un matériau thermomètre accolé contre la plaque d'absorption, ce dernier pouvant être un contaminant micro-électrique.
Selon l'invention, on mesure un rayonnement. Il n'y a pas de contact physique direct entre une surface de contact et un objet à imager, ni de système de chauffage. Le premier réflecteur ne comporte pas d'ouverture en vis-à-vis de la source lumineuse.
L'invention trouve à s'appliquer dans de nombreux domaines : imagerie infrarouge, thermographie, capteurs infrarouges, détection de gaz par mesure de l'absorption optique dans le spectre infrarouge, détection ou reconnaissance d'éléments (personnes ou objets), détection ou reconnaissance de mouvements dans le spectre infrarouge (par exemple pour réaliser une détection de l'activité de personnes), etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique comprenant un ou plusieurs pixels dits sensibles (10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 60 ; 70) formés sur un même substrat (120 ; 220 ; 320 ; 420 ; 520 ; 620 ; 720), et dans lequel chaque pixel sensible comprend : un élément d'absorption (110 ; 210 ; 310 ; 410 ; 610 ; 710), monté suspendu au- dessus du substrat, apte à absorber un rayonnement électromagnétique incident et à s'échauffer en réaction à cette absorption ; et
au moins un élément de soutien (130 ; 230) agencé pour maintenir l'élément d'absorption suspendu au-dessus du substrat, l'élément de soutien comprenant au moins un élément de déformation mécanique (133 ; 333 ; 433) qui est en contact thermique avec l'élément d'absorption et apte à se fléchir en réaction à un échauffement; caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
une source lumineuse (140 ; 240 ; 540) ;
un photo-détecteur (150 ; 250 ; 550) sensible à au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse; et
une première surface réfléchissante (190 ; 290 ; 390 ; 490), optiquement réfléchissante à l'au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse, la source lumineuse (140 ; 240 ; 540) et le photo-détecteur (150 ; 250 ; 550) étant agencés chacun sous l'élément d'absorption (110 ; 210 ; 310 ; 410 ; 610 ; 710), dans ou sur le substrat ; et
la première surface réfléchissante (190 ; 290 ; 390 ; 490) étant solidaire de l'élément de déformation mécanique (133 ; 333 ; 433), et agencée pour réfléchir vers le photo détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'absorption (110 ; 210 ; 310 ; 410 ; 610 ; 710) est apte à absorber un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde supérieures à 800 nm, et en ce que la source lumineuse (140 ; 240 ; 540) est apte à émettre un rayonnement dans le visible, à des longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source lumineuse (140 ; 240 ; 540) est une diode électroluminescente.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'un au moins pixel sensible comporte en outre un masque optique (280) s'étendant à distance de l'élément d'absorption (210), entre la source lumineuse (240) et le photo détecteur (250) d'une part, et l'élément d'absorption (210) d'autre part, apte à bloquer un rayonnement émis par la source lumineuse (240) et comportant des ouvertures traversantes (281) respectivement en vis-à-vis de la source lumineuse (240) et en vis-à-vis du photo-détecteur (250).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le masque optique (280) comporte au moins une ouverture traversante située en vis-à-vis de la source lumineuse (240), l'au moins une ouverture traversante formant des motifs de dimension inférieure à une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse, aptes à réduire un angle de divergence des rayons émis par la source lumineuse (240) après qu'ils aient traversé l'au moins une ouverture traversante.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le masque optique (280) est optiquement réfléchissant du côté de l'élément d'absorption, à des longueurs d'onde d'absorption de l'élément d'absorption (210), et forme ainsi un second réflecteur (280).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une distance (D) entre l'élément d'absorption (210) et le second réflecteur (280) est égale à lo/4 plus ou moins 20%, avec lo la longueur d'onde centrale d'une bande spectrale de détection du dispositif.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans l'un au moins pixel sensible (10 ; 20 ; 30 ; 40), le ou les élément(s) de soutien (130 ; 230) est isolé électriquement du substrat, par au moins une couche d'isolant électrique (261, 262, 263 ; 561, 562, 563).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'un au moins pixel sensible (60 ; 70) comporte en outre un élément d'amplification (601 ; 701), agencé en contact thermique avec l'élément d'absorption (610 ; 710), et électriquement connecté à au moins deux pistes électriques (625) dans le substrat aptes à faire circuler un courant électrique dans l'élément d'amplification (601 ; 701).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément d'amplification (601 ; 701) est constitué d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance négatif.
11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément d'amplification est constitué d'un matériau à transition de phase qui présente un très fort coefficient de température de résistance autour de la transition de phase, et situé en contact thermique avec un élément de régulation thermique à la température de transition de phase.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'un au moins pixel sensible comporte au moins une paroi (270) qui s'étend au moins entre la source lumineuse (240) et le photo-détecteur (250), pour arrêter un rayonnement lumineux à une longueur d'onde d'émission de ladite source lumineuse.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'élément de soutien (130 ; 230) comporte au moins un bras (132 ; 3321, 3322 ; 432 ; 632 ; 732) comprenant du silicium amorphe ou du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, situé entre le substrat (120 ; 220 ; 320 ; 420) et l'élément de déformation mécanique (133 ; 333 ; 433).
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la première surface réfléchissante est formée par un premier réflecteur (290), lequel est texturé de manière à former une optique de focalisation (291) apte à concentrer, sur le photo-détecteur (250), des rayons lumineux émis par la source lumineuse (240) et réfléchis sur le premier réflecteur (290).
15. Système de mesure d'un rayonnement électromagnétique comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, et un processeur recevant en entrée une intensité lumineuse respective mesurée par chaque photo-détecteur (150 ; 250 ; 550) dudit dispositif, le processeur étant configuré pour convertir chaque valeur d'intensité lumineuse reçue en une valeur de flux photonique incident sur l'un élément d'absorption (110 ; 210 ; 310 ; 410 ; 610 ; 710) du dispositif.
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