(a) (b)
Figure 1.8– Schéma de la structure de Le Perchec et al. : Il s’agit d’un empilement métal/semi-conducteur/métal. (b) Carte de champ de la structure à la résonance : Le champ est confiné dans le résonateur
Cette exaltation est due à un confinement du champ dans la zone semi-conductrice. De plus comme décrit plus haut, il y a également un effet de focalisation latérale. Enfin cette absorption est signée spectralement.
L’intérêt de ce confinement vertical et latéral du champ est une réduction du temps de réponse du détecteur (le temps de parcours des porteurs est réduit), une augmentation de l’efficacité quantique (meilleure absorption et moins de recombinaisons), et une diminution du courant d’obscurité (diminution du volume). La combinaison de ces effets permettrait d’avoir des détecteurs IR plus performants et/ou fonctionnant à des températures plus éle-vées que l’azote liquide, ce qui présente un intérêt pratique de premier ordre.
Ensuite la signature spectrale de ces détecteurs, uniquement à l’aide des dimensions la-térales des patchs métalliques, permet de signer différemment chaque pixel, et d’envisager la réalisation d’imageurs hyper-spectraux (L’enjeu est de voir en "couleurs" dans l’infrarouge).
C’est ce type de structures qui sera utilisé dans la troisième partie de ce manuscrit mais appliqué cette fois non à des détecteurs quantiques, mais à des bolomètres.
1.4 Conclusion
Tout d’abord nous avons présenté le domaine de la détection infrarouge et ses champs d’applications. Deux grandes familles de détecteurs existent aujourd’hui :
- les détecteurs quantiques qui, s’ils sont très performants, sont en revanche très coûteux et nécessitent un refroidissement cryogénique.
- les détecteurs "non refroidis" et plus particulièrement les bolomètres qui sont moins coû-teux et moins performants. Le chapitre suivant sera consacré exclusivement à la présentation de ces détecteurs qui sont le fil d’Ariane de mes travaux de thèse.
Enfin, nous avons montré que si l’utilisation des nanotechnologies pour l’optique infra-rouge est loin d’être nouvelle, elle reste un sujet très dynamique notamment du fait de son potentiel innovant et des enjeux industriels impliqués.
Chapitre
2 Les Bolomètres
Sommaire
2.1 Principe . . . . 20 2.1.1 Biomimétisme . . . 20 2.1.2 Structure des bolomètres . . . 20 2.2 Réponse des bolomètres . . . . 22 2.2.1 Réponse optique . . . 22 2.2.2 Réponse thermique . . . 22 2.2.3 Réponse électrique . . . 23 2.2.4 Réponse totale . . . 24 2.3 Bruits dans les bolomètres . . . . 24 2.3.1 Bruit de Johnson . . . 24 2.3.2 Bruit des fluctuations thermiques . . . 26 2.3.3 Bruit des fluctuations du fond . . . 27 2.3.4 Bruit 1/f . . . 28 2.3.5 Bruit total . . . 28 2.4 Sensibilité . . . . 29 2.4.1 Definition du NETD . . . 29 2.4.2 Expression des NETD pour les différents bruits . . . 30 2.4.3 Poids des différents bruits sur le NETD . . . 30 2.5 Etat de l’art . . . . 31 2.5.1 Premiers développements aux USA . . . 31 2.5.2 France et reste du Monde . . . 32 2.5.3 Prévision du marché . . . 33 2.5.4 Évolutions technologiques . . . 33 2.6 Limites et Perspectives . . . . 35 2.6.1 Limites de l’approche actuelle . . . 35 2.6.2 Perspectives . . . 35 2.6.3 Apports des nanotechnologies . . . 36
N
ous allons présenter dans ce chapitre les dispositifs qui sont le thème de ma thèse : les bolomètres. Nous commencerons par présenter leur physique avant de nous at-tarder sur les technologies actuelles, et de décrire en quoi les nanotechnologies permettent d’envisager une rupture conceptuelle dans leur développement futur.19
20 Les Bolomètres
2.1 Principe
Les détecteurs bolométriques font partie de la famille des détecteurs thermiques. Contraire-ment aux détecteurs quantiques les photons ne sont pas transformés directeContraire-ment en porteurs.
En effet, le flux lumineux incident est converti en une élévation de température, qui est à son tour convertie en signal électrique.
2.1.1 Biomimétisme
Les humains ne sont pas les premiers à avoir pu voir dans le noir grâce à des détecteurs bolométriques. En effet1, la nature a doté certains serpents, notamment le python réticulé (dont la taille fait 6 à 9 m, et qui vit en Asie du sud-est) ou le crotale des bambous (taille 90 cm, Asie du sud-est) de tels capteurs pour repérer de petites proies à sang chaud ou leur prédateurs.
Membrane (ép. ~15!m)
(a) (b) (c)
Figure 2.1 – (a) Emplacement de la zone détectrice chez le crotale des bambous. (b) Schéma de l’organe détecteur constitué d’une membrane sensible à la chaleur tendue à l’intérieur d’une cavité remplie d’air (diamètre de 1à 5 mm). (c) Les pythons disposent quant à eux d’un ensemble de 13 paires de fossettes au dessus de la gueule Les crotales disposent ainsi d’une paire de fossettes sensibles à l’infrarouge entre les na-rines et les yeux (Cf. Fig. 2.1.a). Elles sont constituées d’une cavité remplie d’air (diamètre 1 à 5 mm) contenant une membrane tendue. Cette dernière absorbe le rayonnement infrarouge incident et est sensible à l’échauffement ainsi provoqué (Cf. Fig. 2.1.b). La faible ouverture de l’entrée de la membrane permet en plus à ce reptile d’avoir une image rudimentaire de la scène. Les pythons disposent quant à eux d’un ensemble de 13 paires de fossettes au dessus de la gueule (Cf. Fig. 2.1.c). Chaque fossette thermosensible voit donc une seule direction, pour un champ visuel très large au final.
2.1.2 Structure des bolomètres
La première étape du mécanisme de détection d’un bolomètre est la conversion de l’énergie lumineuse incidente en élévation de température. Pour que cette conversion soit efficace,
1Je remercie Isabelle Ribet-Mohamed, les informations exposées ici étant issues de ses recherches biblio-graphiques.
2.1 Principe 21
il doit être composé d’un absorbant qui soit isolé thermiquement d’un thermostat. Pour ce faire, le détecteur est constitué (Cf. figure 2.2) d’une membrane suspendue. Des bras assurent son isolation thermique tandis que des plots assurent sa suspension.
La deuxième étape du mécanisme de détection est la traduction de cet échauffement en signal électrique. Le procédé le plus couramment utilisé est l’introduction dans la membrane d’un matériau dont la résistivité dépend de la température. Ainsi en appliquant une tension (ou un courant) la simple mesure du courant (respectivement de la tension) permet de détecter l’échauffement et donc le flux de photon incident. On parle alors de bolomètre résistif. Le thermistor choisit, peut être, par exemple, un métal dont la résistivité augmente avec la température (diffusion des porteurs par les phonons), ou un semi-conducteur dont la résistivité décroît avec la température (effet dû à l’augmentation de la densité de porteurs libres supérieur à celui dû aux phonons). L’avantage majeur de ce type de dispositif est de pouvoir fonctionner à température ambiante.
(a) (b)
Figure 2.2– (a) Schéma d’un pixel de micro-bolomètre. (b) Image MEB d’une matrice de micro-bolomètre
La figure 2.2.a représente le schéma d’un pixel bolométrique. Il est donc constitué d’une membrane suspendue au dessus de son substrat. Des plots permettent la suspension mé-canique de la membrane, et assurent la connexion électrique avec le substrat permettant la mesure de la résistance. Enfin, pour que la membrane soit correctement isolée des bras d’isolation thermique sont formés sur celle-ci.
Les matériaux sont choisis de façon a être compatibles avec les technologies de la micro-électronique et des MEMs, permettant ainsi la réalisation de véritables matrices de dispositifs présentant une très grande densité et uniformité (Cf. figure 2.2.b). En effet pour réaliser des imageurs, il est crucial que tout les pixels est une réponse très proches. De plus pour diminuer les coûts, on cherche généralement à diminuer le pas des pixels pour en avoir un maximum sur une même surface.
Un avantage des micro-bolomètres est la fabrication directe des pixels sur leur circuit de lecture en silicium, contrairement aux détecteurs quantiques IR qui nécessitent une étape coûteuse d’hybridation de la couche de semi-conducteur cristallin (adaptée à la radiation à détecter) sur un circuit de lecture dense en silicium.
22 Les Bolomètres