HAL Id: jpa-00249178
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Submitted on 1 Jan 1994
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Détection infrarouge par ferroélectriques en couche mince
L. Audaire, P. Agnèse, Ph. Rambaud, M. Pirot
To cite this version:
L. Audaire, P. Agnèse, Ph. Rambaud, M. Pirot. Détection infrarouge par ferroélectriques en couche mince. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (7), pp.1219-1230. �10.1051/jp3:1994197�.
�jpa-00249178�
J. Phys. III F;ance 4 (1994) 1219-1230 JULY 1994, PAGE 1219
Classification Physic-s Absn.acts
78.20
Dktection infrarouge par ferroklectriques en couche mince
L. Audaire, P. Agr~bse, Ph. Rambaud et M. Pirot
LETI (CEA-Technologies Avancdes). DOPT-CENG, 38054 Grenoble Cedex 9, France (Repu le 5 novembie J993, rdvisd le 8 ai,nil J994, acceptd le 25 avril 1994)
Rdsumd, Les matdriaux ferrodlectriques sent utilisd~ en tant que ddtecteurs therrniques pour la
prise de vue en infrarouge. L'optique projette l'image thermique de la scdne sur une matrice de ddtecteurs et la variation de polarisation ou la variation de permittivitd sont lues par une
dlectronique intdgrde au plan focal. Le travail de recherche et de ddveloppement a ddbouchd ~ur des
senseurs simples d'emploi qui commencent h dtre disponibles sur catalogues, en Angleterre et aux
Etats-Unis, mais £galement en France.
Abstract. Ferroelectric materials are u~ed in Slid-state infrared detectors. The thermal scene is
focused on a 2D staring array, the pyroelectric charge variations or the perrnittivity variation~ are read by an electronic circuit implemented in the focal plane. Various developments have been carried out and led to user friendly sensors which are now available in several laboratorie~ and even
as commercialized products in England and USA, but also in France.
Introduction,
Ur~ des axes de recherche en matrices de prise de vue ir~frarouge ([RI a pour objectif de
ddvelopper des technologies h faible co0t d'utilisatior~ et de fabrication, fonddes sur les
propr16t6s des matdriaux ferro61ectriques. La ddtectior~ thermique du rayor~r~emer~t par variation de polarisation rdmar~er~te ou par variation de permittivit6 avec la temp6rature du didlectrique
est utilisable sans environnement cryog6nique. Cette utilisation h temp6rature ambiar~te est la c16 de la r6ductior~ des cofits de fonctionnement. La c16 de la r6duction du co0t de fabrication
est h chercher dans la technologie des circuits intdgrds. Le mat6riau doit pouvoir fitre d6pos6 sur
le circuit de lecture, masqu6 et gravd, en traitemer~ts collectifs sur trar~che, selor~ [es techniques
de la micro61ectror~ique.
Dans [es deux premibres parties, nous pr6sentons [es 616ments for~damentaux de la prise de
vue lR hu moyen des matrices de d6tecteurs ferro61ectriques. Outre les qualit6s propres au
mat6riau, (es environnements optique et thermique ainsi que le circuit de lecture conditionnent la qualitd de la prise de vue.
La troisibme partie schdmatise (es deux technologies en concurrence hybride et monolithi- que, en faisant un bref point sur leur stat d'avancement.
La quatribme partie fait un bilan de la recherche et du ddveloppement mends aux Etats-Unis et en Angleterre. Ces travaux utilisent des cdramiques massives, its impliquent dans [es
produits actuels une technologie hybride. Les performances en imagerie Infrarouge sent
rdsumdes.
La demibre partie prdsente la technologie monolithique originate retenue en France, Elle est fond6e sur l'utilisation du copolymbre du polyvinyle diltri fluor6 d6pos6 par centrifugation (spin-coating) sur le circuit de lecture. Cette action a d6bouch6 sur la r6alisation de matrices qui
sent fonctionnelles. Les performances actuelles sent pr6sent6es. Elle a dt6 mende dans le cadre
d'un contrat Europ6en de recherche PROMETHEUS-PROCHIP, en collaboration avec le
CNRS-LAAS et l'lnstitut Franco-Allemand de Saint-Louis. L'objectif est d'utiliser l'imagerie infrarouge en tant qu'aide h la conduite automobile et h la ddtection d'obstacles tous temps sur
la route.
Les modes de d6tection thermique concurrents, fond6s sur des variations de r6sistances ou de courants de diodes, qui sent en cours de d6veloppement, sortent du cadre de cet article.
1, Principes de base de la ddtection,
En imagerie IR, la prise de vue est faite sur l'Emission thermique naturelle de la scbne, la densit6 spectrale de puissance 6mise est mod61is6e par la loi de Planck. L'atmosphbre a une
transmission s61ective en longueur d'onde, elle est caractdrisde par deux fenfitres quasi- transparentes : de 3 h 5 ~Lm et de 8 h 12 ~Lm. Cette deuxibme fendtre est tout-h-fait adapt6e h
l'imagerie, en effet elle correspond au maximum d'Emission des corps h tempdrature ambiante.
Par temps clair elle transmet pratiquement 50 §b de la puissance totale atom que [es autres conditions climatiques (pluie, neige, brouillard) d6gradent la propagation par absorption et
diffusion.
Dans [es modes de ddtection utilis6s ici les photons lR focalis6s par l'optique sent absorb6s, l'dnergie photonique est atom convertie en dnergie calorifique. Cette conversion induit une variation de tempdrature dT dans le d6tecteur qui est mesurde par la variation des parambtres du
ferro61ectrique, polarisation r6manente et permittivit6 selon le muddle simplif16 de comporte-
ment d161ectrique
dD/dT
= e x dE/dT + dP/dT
Si l'on se ddfinit [es parambtres suivants : V~ tension de sortie (V), Q~ charge pyro61ectrique
dans le point d16mentaire (C), C~ capacitd du ddtecteur (F), T~: temp6rature du ferro61ectrique (°C), P~ puissance 6mise par la scbne (W), P~ puissance regue et intdgr6e durant la prise de
vue (W), atom
. en ddtection pyro61ectrique (dP/dT: Fig. I), la variation de la polarisation r6manante rdsulte de la variation de tempdrature du ferrodlectrique. La conservation du d6placement dlectrique induit une variation de densitd de charge surfacique (dop), ce g6n6rateur de charge
est symbolist par trois cercles sur la figure I. La variation de charge est mesurde par la
variation de tension rdsultante aux brines du condensateur que constitue le ddtecteur
61dmentaire :
dV~/dP~
= dV~/dop x dQ~/dT~ x dT~/dP~ x dP/dP~
Ci~ R~~. capacitd calorifique, rdsistance de fuites thermiques, Q~, charge pyrodlectrique, C~. capacit6 du ddtecteur, Cj. capacit6 de lecture, R~ r6sistance de fuites 61ectriques.
. En bolomdtrie didlectrique (F x dE/dT : Fig. 2), la variation de tempdrature, au voisinage
de la transition de Curie, induit une variation de permittivitd donc de capacitd qui, h charge
N° 7 DETECTION IR PAR FERROELECTRIQUES EN COUCHE MINCE 1221
pota&alion r6maner£e
p - diPr)i dm
~ ~
Tc T(K~
cceficiem pyro61ectflque
$°
~(ll
(?~ ll~ ~~'~~
mer
cw Ath Cd Cl llf
Bilan thermique Bilan 61ectrique Lecture
Fig, 1. Sch6matisation de la ddtection pyro61ectrique.
[Pyroelectric detection.]
PermtlVt6 imaginare
d(epsl/dm
Tc) T (K~
~coef%dem p_
depenn#tiVt6
~l~~) d~f~ dyed) dP/S) CMOS
b'~ lKl M °°
~~
Tbower cw Rw Cd Cl Qr Rf
Bilan thermique B"an @eCtdqUB LeCtUrB
Fig. 2. Sch6matisation de la ddtection bolomdtrique.
[Bolometric detection.]
constante (Q~ ), est 6galement mesur6e par la variation de tension aux brines du condensateur :
dVJdP~
= dV~/dC~ x dC~/dT~ x dT~/dP~ x dP/dP
~
Ci~ R~~ capacitd calorifique, rdsistance de fuites thermiques, C~. capacit6 du ddtecteur, Cj capacitd de lecture, Qr charge de rdfdrence, R~ rdsistance de fuites dlectriques.
Dans [es deux relations diffdrentielles ci-dessus, le premier terme se rapporte h la lecture, le deuxibme au mat6riau et h la d6tection, le troisibme h l'environnement thermique du d6tecteur,
le demier terme caractdrise l'optique de prise de vue, l'absorption de l'dnergie et la
transmission atmosphdrique.
2, Contraintes et- optimisations,
La rdalisation d'un senseur performant implique une recherche d'optimisation pour chacun des dldments diffdrentiels ddfinis ci-dessus.
2.I OPTIQUE (dP/dP~). Les performances sent directement proportionnelles d'une part h l'ouverture numdrique de l'optique et d'autre part h l'efficacitd de la conversion d'dnergie photonique/calorifique. Ces dispositifs sent utilisds avec des objectifs h grande ouverture de l'ordre de f/I. La technologie du senseur met en muvre une couche absorbante spdcifique ddposde sun la face dclairde de la matrice.
2.2 THERMIQUE (dT~/dP~). Le matdriau ferrodlectrique doit )tie isold thermiquement du circuit de lecture, La maximisation de la rdsistance thermique entre le ddtecteur et le silicium (R~~ implique une couche d'isolement qui puisse Etre ddposde en forte dpaisseur (de l'ordre de la dizaine de microns) et traversde par un i,ia de prise de contact. Par ailleurs le produit de la r6sistance thermique et de la capacit6 calorifique (Cj~ des couches technologiques d6finissent
une constante de temps thermique qui doit fitre optimis6e en fonction du temps de prise de vue,
c'est-h-dire de la frdquence trame de l'imageur.
2.3 DtTECTION (dop/dT~ ou dC~/dT~). En ce qui conceme le signal de ddtection (es deux
modes ne s'adressent pas ndcessairement au mdme matdriau. En pyrodlectricitd la rdponse en
V/W (watts en entrde volts en sortie) est proportionnelle au rapport p/F', en bolomdtrie elle est proportionnelle au rapport dF'/dT x [IF'. Ces deux parambtres macroscopiques sent deux
facettes du comportement ferrodlectrique, selon que la tempdrature de fonctionnement est trds infdrieure ou voisine de la tempdrature de Curie la ddtection est pyrodlectrique ou bolomdtrique.
Dans les deux modes de lecture la partie imaginaire de la permittivitd F" ddtermine [es pertes didlectriques du condensateur qui constituent une des deux sources de bruit du ddtecteur,
l'autre dtant d'origine pidzodlectrique.
Si tg(&)
= angle de perte du didlectrique, k
= constante de Boltzmann, f
= frdquence d'analyse, T~
= tempdrature de fonctionnement, atom la rdsistance R~ = tg(& II (2w x f x Cd gdnbre une tension de bruit de densitd spectrale eb
= (4 x k x T~ x R~)~ 0,5. Ce bruit, qui
varie au mains comme f~ (- 0,5 ), est dominant aux basses frdquences de la prise de vue (50 Hz). Sa minimisation passe par une modification de la composition du ferrodlectrique ou
par filtrage dans le circuit de lecture.
2.4 LECTURE (dV~/dop ou dV~/dC~). Les ddtecteurs dldmentaires sent des condensateurs
[us par une interface 61ectronique intdgrde dent l'imp6dance d'entr6e joue un r61e important.
D'une part, [es rdsistances de fuites (R~), tant du didlectrique que du circuit de lecture, tendent h ramener le condensateur h l'dquilibre dlectrique (dV~
=
0), it en rdsulte que le ddtecteur ne mesure que [es variations d'dclairement. Cette insensibilitd h la tempdrature
N° 7 DETECTION IR PAR FERROELECTRIQUES EN COUCHE MINCE 1223
moyenne a deux consdquences importantes sur le systbme de prise de vue : leur fonctionnement
n'implique pas la cryogdnie ndcessaire aux ddtecteurs quantiques, la puissance d'entrde doit dtre modu16e par un obturateur optomdcanique.
D'autre part [es transistors de la technologie MOS prdsentent une impddance d'entrde
capacitive (C, mise en parallble sur la capacitd du d6tecteur (C
~) ii en rdsulte une attdnuation du signal, dans le rapport C ~/(C, + C
~), que la conception du circuit de lecture doit minimiser.
3, Technologies de dktection,
L'analyse faite ci-dessus montre que la r6alisation d'un senseur rdsulte d'une sdrie d'optimisa- tion, en particulier, de la technologie. La figure 3 schdmatise deux coupes technologiques
actuellement ddveloppdes : technologie hybride et technologie monolithique.
~~~°~'~ ~~*'~~ ~~^~ ~'*~ TECWOLOGIE MONOLrrHIQUE
d##fol 4lecUcde mwm
Brasure 41ect×we d#aWur
WcUcda
kohm
Fig. 3. Technologies de ddtection.
[Technological process, two detector structure on the left hybrid technology, on the right monolitic technology.]
Sur ces deux technologies, on retrouve [es fonctions qui ant >t> analysdes ci-dessus
. une Electrode commune h tous les points de la matrice munie d'un absorbant ;
. sous la couche de ferrodlectrique une dlectrode individuelle propre h chacun des points
dldmentaires ;
. une couche d'isolement thermique ;
. [es connections d'dlectrodes individuelleq vers l'interface de lecture.
Leurs diffdrences rdsultent essentiellement du choix du matdriau de ddtection.
3. TECHNOLOGIE HYBRIDE. En technologie hybride, le silicium de lecture et le substrat de ddtection suivent leur technologie propre, inddpendante l'une de l'autre. En fin de processus, [es circuits de lecture et (es circuits de d6tection sent d6coupds et interconnectds par un rdseau de microplots mdtalliques.
Cette dtape d'hybridation a dtd mise au point durant (es anndes 1980 pour (es ddtecteurs
quantiques, elle est collective au niveau de la puce avec un excellent rendement de connexion.
L'inddpendance des technologies autorise un grand choix de matdriaux tant en monocristaux
qu'en cdramiques, mais l'hybridation est une opdration qui, faite puce h puce, grbve le cofit de fabrication. Des exemples de rdalisation sent donnds au chapitre 4.
3.2 UNE TECHNOLOGIE MONOLITHIQUE. La technologie monolithique a did ddveloppde
dans 1e cadre de l'action d6tection d'obstacles. Elle est fond6e sun l'utilisatior~ d'ur~ matdriau
disponible en solution visqueuse le copolymbre diltri fluor6 du polyvinyle difluord. II est
ddposd « pleine plaque » par centrifugation au mdme titre que [es rdsines de photolithographie,
son masquage et sa gravure ne sent que des adaptations des techniques habituelles de la
technologie microdlectronique. La polarisation du copolymbre est faire en fin de technologie
par application d'un champ dlectrique. Toutes (es dtapes sent collectives au niveau d'une
plaque comportant un grand nombre de puces, h terme le cofit de fabrication sera comparable h celui des circuits intdgrds standards.
L'exemple de rdalisation est donna au chapitre 5.
3.3 AUTRES APPROCHES MONOLITHIQUES. II faut noter ici l'essor de mdtallurgie visant h
ddposer des couches minces d'oxides
« on chip » sun des circuits silicium. Le produit pilote est actuellement la mdmoire digitale non volatile fondle sun le cycle d'hystdrdsis mais, h terme, cette technique devrait dire transposde h la ddtection infrarouge.
Les procddds de ddp6ts de ferrodlectriques en couche mince sent identif16s en deux domaines
principaux
. [es mdthodes chimiques qui regroupe la pyrolyse de spray de prdcurseurs organiques, la CUD (chemical vapor deposition) et I'OMCVD (organometallic CUD), l'dpitaxie en phase liquide, [es procddds sol-gel et pyrosol ;
. [es mdthodes physiques fonddes sur les techniques de pulvdrisation des matdriaux h
ddposer : induction haute frdquence, bombardement ionique rdactif ou non, ablation laser.
La recherche est active dans de nombreux laboratoires, mais [es contraintes sent fortes
. le matdriau en couche mince doit retrouver [es propridtds du matdriau massif;
. [es interfaces entre le matdriau ddposd et les Electrodes mdtalliques doivent tire de bonne
qualitd ;
. le ddp0t et [es traitements thermiques qui suivent ne doivent pas ddgrader le circuit de lecture.
Pour l'instant il ne ne semble pas que cette recherche ait abouti h des prototypes d'imageurs.
4, La recherche h l'4tranger,
Amdricains et Anglais prdsentent des produits qui ant largement ddpassd le stade de prototypes de laboratoire sans toutefois avoir atteint la maturitd industrielle des produits de grande
diffusion. Nous pr6sentons quelques exemples dans ce chapitre. A notre connaissance, les Japonais n ant encore rien prdsentd.
4,I ETATS-UNis ill. Aux Etats-Unis, dds 1970, le NVEOD (Night Vision and Electro-
Optics Directorate) initie des actions dans le domaine des ddtecteurs IR non refroidis. Philips
Laboratories et Honeywell Radiation Center sent les pionniers de ces actions. En 1979 Texas instrument (Tl) propose une matrice 100 x 100 ddtecteurs pyrodlectriques utilisant le BST. La
technologie est classifide. En 1987, compte tenu des rdsultats acquis, la DARPA (Defence
Advanced Research Project Agency) et le NVEOD lancent le programme HIDAD (High-
Density Array Development), dent Honeywell, Hughes, Rockwell, et T.I. sent [es principaux
contractants. Le produit objectif est une matrice de 80 000 points dldmentaires au pas de
50 ~Lm. La performance en ddtection est chiffrde en NEdT (Noise Equivalent differential
Temperature) ~ 0,3 K avec un objectif de 0,2 K ou mains. Cette activitd a did ddclassifide en 1991.
(Note : le NEdT, h optique donnde, le contraste de tempdrature minimal rdsolu sun la scdne
avec un rapport signal h bruit unitaire.)
C'est le dispositif rdalisd par Tl qui est prdsentd ci-dessous.
Matrice 80 000 points dldmentaires.
N° 7 DfTECTION IR PAR FERROfLECTRIQUES EN COUCHE MINCE 1225
Pas 50 ~Lm.
Technologie hybride.
Matdriau Cdramique BST en dpaisseur de 75 ~Lm (taille des grains d'oxyde : 25 ~Lm).
Ddtection : Bolomdtre didlectrique.
Stabilisation therrnique du plan focal par thermodldments.
Optique # f/I, locales 8, 4 et 0,9pouces.
NEdT : 60 §b de points dldmentaires sent en dessous de 0,1 K, 0,6 §b au-dessus de 0,25 K.
Livrd au NVEOD en juillet 1990.
II est intdressant de suivre (Tab. Ii l'historique 1987-1991 de ce produit, it rend bien compte des difficultds rencontrdes et de la chronologie des amdliorations apportdes.
Tableau I. Evolution dlt NEdT aiix Etats Unis.
[NEdT performances evolution in USA-i
NEdT Evolution du dispositif
(K)
1987 0,5 Amdlioration du polissage du BST
1989 0,3 Spdcification minimale atteinte Amdlioration de l'isolement thermique
Amincissement du BST
1990 0,2 Amdlioration du circuit de lecture 1991 0,1 Spdcification objectif atteinte
4.2 ANGLETERRE. En Angleterre, [es laboratoires du RSRE et ultdrieurement Plessey ant
une tongue tradition de recherche sun (es cdramiques ferrodlectriques utilisdes en ddtection
pyrodlectrique, its ant fait une premibre publication sun une barrette dbs 1985 [2], lls disposent actuellement de matrices 100 x 100, dent le NEdT est meilleur quo 0,5 K avec une optique
ouverte h # f/1 et une frdquence trame de 25 Hz. La cdramique utilisde est le PZ. L'industriel
GEC-Marconi diffuse un catalogue de produits comportant [es matrices 32 x 32 et 100 x 100.
Dans le mtme temps, its ant examind une grande varidtd de matdriaux en mode
pyrodlectrique et bolomdtrique KTN (niobate de tantale de potassium), PZN (niobate de zinc et de plomb), BST (titanate de strontium et de barium), PMN (niobate de plomb et de
magndsium), PST (titanate de plomb et de strontium), PZ (zirconate de plomb) [3]. La ddtection est fondde sur un couplage entre (es variations de la polarisation et de la permittivitd
sous un champ dlectrique de l'ordre du MV/m. Entre le PZ utilisd en mode pyrodlectrique et le PST utilisd en mode bolomdtrique, its publient un gain de 3 sur le NEdT.
lls dtudient actuellement le d6pbt en couche mince par pulvdrisation du titanate de plomb et
du PST, par MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) pour le titanate de plomb
et par sol-gel pour le titanate de plomb et le PST, cette technique autorise le ddpbt des gels par centrifugation. Les performances attendues du PST ddposd en sol-gel sent estimdes au 2/3 de celles obtenues avec le mtme corps rdalisd selon [es mdthodes de frittages.
5, La recherche en France,
L'imageur Infrarouge dans PROMETHEUS est un des senseurs du systdme de ddtection d'obstacles sun la route. Ce produit, de grande diffusion, doit Etre intdgrable au systbme h un cobt objectif «automobile», quelques centaines de francs alors que dans [es actions
pyrodlectriques antdrieures on dvoquait des cobts objectifs de l'ordre du millier de francs. La recherche a dtd initide au LET] en 1990 avec l'appui du LAAS-CNRS et de l'lSL [4]. Peu de
temps aprds, un ddveloppement a dtd mis en place par TCS (Thomson Composants
Spdcifiques) [5]. Los rdsultats que nous prdsentons sont relatifs aux travaux faits au LET].
La notion, nouvelle, de faible cobt et le temps de ddveloppement relativement court imparti (1990-1994) justifient le choix initial du corps de ddtection. Outre l'ouverture vets une
structure monolithique, le copolymbre utilisd dtait ddjh connu et dtait un candidat plausible
relativement aux corps ddjh utilisds en imagerie infrarouge pyrodlectrique.
Dans le tableau II ci-dessous sont regroupds (es parambtres essentiels que sont (I) le coefficient pyrodlectrique, (2) la partie rdelle de la permittivitd relative, (3) l'angle de perte. On y a joint deux facteurs de mdrite propres h la ddtection (4) le facteur p/F' le signal mesurd sun le ddtecteur est proportionnel h ce rapport, et un facteur de rapport signal h bruit (5) : le terrne
prdcddent divisd par un terme proportionnel au bruit du didlectrique. Les facteurs (4) et (5) permettent de comparer [es comportements en ddtection, routes gdomdtries et technologies
dtant identiques par ailleurs.
Tableau II. Comparaison de trois corps de ddtection pj'iodlecti~ique.
[Description of three materials for pyroelectric detection.]
PVdF-Trfe PbZrO~ LiTaO~ Rdfdrence
Plastique Cdramique Cristal du texte
p (C/m2xK) o,5 x io-4 3,8 x lo-4 2,3 x lo-4 (1)
E 8 290 47 (2)
tg (&) 2 §b 3 fl 5 fb (3)
pie' 6,25 x lo-6 1,3 x io-6 4,9 x lo-6 (4)
p/tg(&)/F' 1,25 x 10-4 4 x 10-4 4,7 x 10-4 (5)
Relativement h la cdramique, le plastique copolymbre foumit un signal 5 fois plus important,
ce qui minimise l'effet des bruits de lecture, mais avec un rapport signal/bruit trois fois plus faible, ce qui complique [es traitements dans le plan focal.
Le circuit de lecture est schdmatisd figure 4. II est rdalisd dans la technologie CMOS d'un fondeur industriel et a dtd congu pour dtre interfagable avec un systbme micro-informatique.
La logique d'adressage et de contr01e implantde sur la puce est trbs comparable h celle des
mdmoires RAM. Outre la sortie analogique du signal analogique du signal viddo, un
convertisseur analogique/numdrique, dgalement implantd sun la puce, permet de disposer du
signal numdrisd.
La matrice de ddtecteurs comporte 024 points dldmentaires (32 x 32) implantds au pas de too ~m. La faible rdsolution de cette matrice est peu compatible avec une visualisation de
j'irnage mais a dtd estimde suffisante comme entrde d'informations infrarouges pour la
