Historique, besoins et solutions existantes

Dans le domaine énergétique des radiations électromagnétiques, les ultraviolets présentent un intérêt croissant pour la communauté scientifique. La détection du rayonnement électromagnétique implique une conversion d’énergie : le principe physique d’un détecteur consiste à absorber les photons d’une radiation optique et de fournir en échange un signal chimique, électrique ou thermique qui porte la signature de l’excitation. On distingue quatre mécanismes principaux de détection : les effets photochimiques, l’effet photoémissif, les effets photoélectriques internes (photoconducteur ou photovoltaïque) et l’effet thermique.

L’apparition des semiconducteurs dans les années 1950 a permis de mettre en œuvre les effets photoélectriques internes pour réaliser de nouveaux détecteurs. Ces derniers utilisent le changement d’état d’un électron du matériau photosensible par suite de l’absorption de l’énergie d’un photon incident. Ceux utilisant cet effet sont de deux types : les photodiodes et les photoconducteurs. Les dispositifs à transfert de charges (CCD) ont été inventés vers 1970 pour servir de lignes à retard analogiques. Il a fallu concevoir des structures adaptées à la détection pour un type de rayonnement donné, tel que le CCD à phase virtuelle (CCD amincis éclairés par l'arrière) lesquels ont eu pour intérêt initial d'offrir une efficacité de détection accrue dans l'ultraviolet. Par suite de leur intérêt comme photodétecteur et du fait de l'importance des marchés liés à la télévision, leur principal domaine d'application est toutefois rapidement devenu l'imagerie électronique. La technologie à cette époque (∼1970) ne permettait de fabriquer que des capteurs de performances modestes. Les capteurs utilisés à des fins scientifiques étaient alors souvent les mêmes que ceux des caméras vidéo. Dans les années 1980, les progrès de la technologie ont conduit à une amélioration sensible de leurs performances. Compte tenu de besoins très différents, il s'est alors produit une dissociation entre capteurs destinés à la vidéo et capteurs scientifiques. Dans le premier domaine, on a privilégié la finesse de la résolution (pixelisation) par la réduction de la taille des capteurs mais aussi la réduction des coûts. Dans le second cas par contre, on a recherché une grande dynamique et un rendement quantique maximal. Cela s'est traduit par l'utilisation d'étages de sortie optimisés pour un bruit de lecture aussi faible que possible, les pixels restant relativement grands pour avoir une capacité de stockage de charges maximale, une surface photosensible de plus en plus grande avec l'apparition des capteurs "à image totale" (full frame").

Depuis, l'instrumentation dans le domaine X-UV s'est considérablement développée notamment sous l'impulsion des besoins de l'astrophysique, des études des plasmas créés par laser et de leurs applications à la fusion par confinement inertiel, des études d'émission X stimulée, du développement des lasers à excimères... En parallèle, sont apparus des systèmes d'imagerie mettant en œuvre des capteurs scientifiques de façon à en exploiter au mieux les performances et pouvoir ainsi analyser quantitativement et précisément le contenu d'une image. Les senseurs amincis de

qualité scientifique ont fait l'objet de développements durant les années 1980 et 1990. La sensibilité de ces capteurs est bien meilleure dans le domaine des X mous. Néanmoins, elle est plus faible que celle donnée par les prévisions basées sur l'analyse des constantes optiques du silicium et de la silice. Plusieurs modèles permettent d'expliquer ce phénomène et de quantifier cette perte de sensibilité. Ils confirment que, avec une bonne électronique de lecture, des signaux correspondant à quelques photons par pixel peuvent être détectés. A cette époque, certains semiconducteurs ont été testés et le sont encore avec plus ou moins de succès incluant les matériaux Ge, GaAs et SiC.

Ce n’est qu’à partir de la seconde moitié des années 1990 que sont apparus les matériaux SC III-N à large bande interdite à base de GaN. Il a fallu près de quarante ans pour que ces semiconducteurs, depuis la cristallogénèse et la synthèse en films minces, jusqu’à celle des procédés technologiques (dopages, gravures et métallisations), atteigne un niveau de maturité suffisant pour que l’on puisse réaliser des démonstrateurs fiables. La disponibilité de ces semiconducteurs à LBI constitue une véritable rupture technologique avec les autres filières. Historiquement, Le premier domaine d’applications de ces semiconducteurs à LBI au niveau industriel a été celui des composants électroluminescents pour la production de lumière pouvant balayer tout le domaine du visible jusqu’au proche UV (>220nm).

Depuis les années 2000, de nouveaux semiconducteur à LBI comme le diamant et les nitrures d’aluminium et de bore connaissent une amélioration de leur qualité cristalline similaire à celle du GaN à la fin des années 1990. Ces derniers présentent des caractéristiques physiques exceptionnelles en plus d’être davantage robustes aux applications spatiales envisagées et ayant en conséquence la stabilité indispensable aux conditions extrêmes. Ces matériaux nouveaux (avec le nitrure d’aluminium) constituaient à la fin des années 2000 un challenge technologique à relever afin d’élaborer de nouveaux photodétecteurs X-UV. Cette activité, soutenue par une thèse de doctorat (M. Hassan Ali BARKAD 2007-10), a débuté en 2006 et s’est terminée en 2013. Cette thèse était dédiée aux développements et aux tests de nouveaux détecteurs pour notamment l'observation du soleil dans le domaine XUV.

Ce thème de recherche a pour vocation une meilleure appréhension de ces nouveaux matériaux semiconducteurs à LBI (carbone diamant, nitrures d'aluminium, de gallium et de bore et leurs alliages associés) et des technologies associées afin de quantifier quelques paramètres physiques clés responsables des limitations observées. L’objectif de cette étude était de poser les bases nécessaires à terme à la réalisation d’une caméra XUV innovante susceptible de fonctionner dans des environnements hostiles sur terre et dans l’espace.

Ce activité a porté sur la conception, la réalisation, la caractérisation de démonstrateurs optroniques et l’étude physique de ces derniers par la simulation. La caractérisation spécifique dans le domaine

des X-mous et de l’extrême UV a pu être réalisée à PTB-Bessy (Berlin) en étroite collaboration avec l’Observatoire Royal de Bruxelles (ORB) et l’Institute for Materials Research (IMOMEC-Hasselt) pour les mesures dans le domaine des UV profonds.