Brevet FR2462791A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne les détecteurs utilisables dans la gamme des ondes submillimétriques, pratiquement dans la gamme allant de 10 microns à 1 millimètre. Les détecteurs rapides actuels utilisables dans cette gamme, qui appartient à la fois au domaine de l'infrarouge lointain et à celui des hyperfréquences, sont peu nombreux et peu sensibles. Dans leur quasi-totalité, ils utilisent comme éléments non linéaires des diodes Schottky qui ont l'avantage de présenter une large bande passante, d'être rapides et de fonctionner à température ambiante. Mais la très faible surface qu'il faut donner aux diodes Schottky (inférieure au micron carré) impose de les associer à une structure d'alimentation. Les pertes élevées dans les matériaux conducteurs aux longueurs d'ondes submillimé- triques interdisent l'emploi de guides d'ondes métalliques et amènent à utiliser des antennes comme structures d'ali- mentation. Dans un détecteur connu, la structure d'alimenta- tion destinée à coupler le rayonnement incident et la jonction Schottky est réalisée à l'aide d'un fil terminé par une pointe qui s'appuie sur l'anode de la diode. L'antenne est constituée par la portion du fil entre la pointe et une portion à forte courbure qui agit comme un ressort d'appui du fil sur l'anode. Le couplage entre l'antenne longue ainsi réalisée et l'élément non linéaire constitué par la diode Schottky est peu satisfaisant. En effet, l'antenne comporte plusieurs lobes d'émission et de réception et le diagramme de rayonnement a une symétrie de révolution. En conséquence, on ne peut illuminer qu'une fraction seulement du lobe principal par le rayonnement incident, très directif à cette fréquence, ce qui diminue la sensibilité, et une partie de l'énergie est ré-émise sur les lobes autres que celui qui est illuminé. La présente invention vise à fournir un détecteur utilisable dans la gamme submillimétrique, répondant mieux -2- que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment présentant une sensibilité très supérieure tout en restant de construction simple. Dans ce but, l'invention propose notamment un détecteur comprenant un réseau plan d'éléments sur semicon-. ducteur à réponse non linéaire et un rideau plan d'antennes longues parallèles associées aux éléments détecteurs à réponse non linéaire par des contacts ponctuels. Les éléments à réponse non linéaire seront géné- ralement constitués par des diodes Schottky réparties sous forme d'un réseau matriciel sur une plaquette de semi- conducteur composite, tel que l'arsexiure de gallium. A condition d'utiliser de l'arseniure de gaJ3ium déposé par épitaxie et dopé, de façon que la conduction s'effectue par voie thermo-ionique et non pas par effet tunnel, on peut réaliser un fonctionnement satisfaisant jusqu'à une fré- quence de l'ordre de 3 THz environ. Il faut remarquer qué l'augmentation de la sensi- bilité obtenue grâce à la mise en oeuvre de l'invention ne résulte pas simplement de l'augmentation du nombre d'élé- ments détecteurs et d'antennes associées, mais surtout de la transformation radicale du diagramme de rayonnement par suppression de la symétrie de révolution et renforcement d'un lobe principal d'antenne au dépens des autres. Lors de l'utilisation du détecteur, on l'orientera évidemment de façon que la direction du rayonnement incident coïncide approximativement avec l'axe du lobe principal. Le rideau plan d'antennes est susceptible de nom- breuses réalisations pratiques. Toutes doivent tendre à fournir un rideau dont les antennes sont correctement connectées aux anodes des diodes, sont parfaitement paral- lèles et sont régulièrement écartées au niveau des contacts avec les diodes. Une première solution consiste à constituer le rideau par une nappe de fils parallèles dont chacun est mis en contact avec l'élément détecteur correspondant par une pointe émoussée, mais il est alors difficile de mainte- nir un parallélisme satisfaisant des fils sans les noyer dans un support diélectrique. Or, la plupart 3- des diélectriques actuellement utilisés commercialement sont absorbants dans une large bande du spectre,d'o une perte de sensibilité. Une autre solution consiste à réaliser la nappe de fils sous forme de conducteurs linéaires minces constitués par photogravure sur une couche mince isolante recouvrant le support semiconducteur dans lequel sont cons- titués les éléments à réponse non linéaire. Un tel détec- teur a l'avantage de se prêter à la fabrication par les techniques Planar largement utilisées dans le domaine des circuits intégrés. Une autre solution encore consiste à réaliser le rideau sous forme d'un capteur en forme de plaque (ce qui revient à une infinité de fils infiniment proches) , plaque couplée aux éléments à réponse non linéaire par des pointes distinctes. L'expérience a montré que, dans ce cas, on obtient de bons résultats en donnant au capteur plaque une longueur-correspondant à quelques longueurs d'ondes et une largeur dont le rapport sur la longueur est compris entre 3,5/5 et 4/5. Les pointes appartiennent avan- tageusement à des fils parallèles solidaires électriquement et mécaniquement de la plaque, disposés symétriquement par rapport au plan médian de celle-ci, les deux fils extrêmes étant disposés le long des arêtes latérales. Enfin, pour réduire encore les lobes secondaires et renforcer le lobe principal, on aura généralement intérêt à adjoindre au rideau d'antennes un ou plusieurs réflecteurs. Plusieurs réflecteurs peuvent être combinés avec une grille d'entrée pour former une cavité résonnante accordée. L'invention est susceptible de nombreuses appli- cations. En particulier, elle permet de réaliser des détec- teurs de rayonnements video-fréquence submillimétriques et des mélangeurs fournissant une moyenne fréquence à partir d'ondes submillimétriques et d'un harmonique d'une source locale, telle qu'un klystron référencé en phase. Les sources de rayonnements utilisables comportent les lasers, par exemple à acide cyanhydrique émettant sur 0,89 THz, les carcinotrons et les gyrotrons qui ont l'avantage de fournir une puissance plus élevée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de détecteurs qui en constituent 4 _ 2462791 des modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exem- ples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un pre- mier mode de réalisation, - la figure 2 est un schéma à grande échelle mon- trant la jonction entre une pointe et l'anode d'une diode Schottky, - la figure 3, similaire à la figure 1, montre une variante, - la figure 4 est une vue schématique en perspec- tive et en coupe partielle montrant une autre variante encore, - la figure 5, similaire à la figure 1, montre une autre variante utilisant un capteur plaque, - la figure 6 est un schéma montrant l'association des impédances dans le montage de la figure 5, - lesfigures 7 et 8 montrent deux dispositions possibles de réflecteurs, - la figure 9 montre un montage pratique possible de détecteur, en coupe suivant la ligne IX-IX de la figure 11, - la figure 10 montre à grande échelle une zone dans un cercle en traits mixtes sur la figure 9, - la figure 11 est une coupe suivant la ligne XI-XI de la figure 9. Dans son mode de réalisation le plus simple, montré en figure 1, le détecteur suivant l'invention comprend n fils disposés parallèlement, à distance égale, formant un rideau. Chacun des fils 10 présente une extrémité en forme de pointe émoussée de contact avec une diode Schottky correspondante 11. La partie terminale opposée à la pointe est munie d'une boucle 12 formant ressort et se raccorde à un conducteur 13 relié à la sortie. Chaque fil est équi- valent à une antenne filaire dont la longueur L correspond à la distance entre la. pointe et le changement de courbure du fil, à lrentrée de la boucle. On sait que les diodes Schottky, constituées essentiellement d'un métal en contact intime avec un semi- conducteur sans interposition de couche d'oxyde, donnent des résultats satisfaisants en ondes submillimétriques à -5- condition d'avoir une surface très faible et d'être réali- sées sur un semiconducteur de très haute mobilité. On peut constituer de telles diodes sous forme d'un réseau sur un support semiconducteur en arseniure de gallium. Pour cela, on part d'un support comportant un substrat en arseniure de gallium N 14 (figure 2) sur lequel on a fait croître par épitaxie une couche mince d'arseniure de gallium N 15. On dépose, sur la couche 15, un film mince (environ 1000 A en général) de silice isolante 16. Par masquage et microlitho- graphie électronique ou X, on réalise ensuite des fenêtres mettant à nu la couche 15, sur une surface ne dépassant pas 1 pm. Enfin, on métallise le fond des fenêtres ainsi réalisées pour constituer les anodes. Les fils seront généralement en tungstène. Leur diamètre pourra'difficilement être inférieur à 10 m. La pointe terminale pourra notamment être formée par électro- lyse dans une solution alcaline (par exemple de Na OH 3N) ou acide (par exemple HNO3 1N + HF 1N). Le détecteur ainsi réalisé présente un diagramme de rayonnement présentant un maximum dans le plan médian 17 du rideau (figure 1). Le maximum de sensibilité est obtenu dans une direction faisant un angle 9 avec celle des fils, qui correspond approximativement à la formule sin 0 v 0,43 V^^/L Dans cette formule, 0 est la longueur d'onde du rayonnement. La sensibilité du détecteur augmente proportion- nellement à {E., n étant le nombre des diodes et des fils, du moins aussi longtemps que les fils 10 sont parallèles, équidistants et tous connectés. La disposition qui vient d'être décrite présente des difficultés de réalisation. En effet, il est difficile de réaliser un rideau dans lequeltoutes les anodes sont correctement connectées aux fils, tous les fils sont parfai- tement parallèles (une flexion intervenant lors du contact) et tous les fils sont équidistants. Une première solution permettant d'écarter cette -6 - difficulté est schématisée en figure 3. Elle consiste à emprisonner les fils 10a dans un support mince 18 en diélectrique transparent qui les retient en place. On peut alors fabriquer le rideau de fils en bobinant un filament continu sur un mandrin plat, à pas constant et faible, puis en moulant les parties rectilignes de l'enroulement dans la feuille 18 avant de couper l'enroulement suivant deux géné- ratrices pour former les fils 10a. Les fils sont ensuite traités électrolytiquement tous ensemble à une extrémité pour former les pointes émoussées de contact. Cette solution, satisfaisante du point de vue mécanique, présente l'inconvénient d'exiger l'emploi de diélectriques ayant une transparence suffisante dans la gamme submillimétrique. Or, les plastiques diélectriques couramment utilisés à l'heure actuelle (polytétrafluoréthy- lène, polyéthylène, etc.) ont une absorption qui n'est pas négligeable et se traduit par une perte de sensibilité. Une autre solution encore consiste à mettre en oeuvre une technique se rapprochant de celle utilisée pour la réalisation des circuits intégrés. Elle permet d'arriver à une structure monolithique associant les diodes et le réseau d'antennes, telle que celle illustrée schématiquement en figure 4. Dans ce cas, les éléments à réponse non linéaire et le rideau d'antennes peuvent être réalisés en une seule séquence d'opération. Si l'on suppose que les éléments non linéaires sont des diodes Schottky, on part d'une plaquette 14b d'arseniure de gallium revêtue d'une couche 15b obtenue par croissance épitaxiale. On réalise sur cette couche, par une technique habituelle de fabrication, une couche iso- lante de SiO2, 16b. Sur une fraction de la plaquette, on constitue, à travers l'isolant, par photogravure électro- nique ou X (étant donné les très faibles largeurs à réaliser), un réseau en nid d'abeille de diodes Schottky llb. Sur l'isolant 16b, on dépose ensuite, par photogravure, un métal (or ou aluminium en général) sous forme de bandes minces pour connecter plusieurs diodes en parallèle. On constitue ainsi une série de bandes parallèles jouant le rôle de rideau d'antennes. 2b62791 -7- On peut ainsi résoudre de façon simple les pro- blèmes de tenue mécanique. Les techniques actuellement disponibles de photogravure permettent d'atteindre des dimensions de bande et des surfaces de diode faibles. Si l'on utilise de telles techniques, l'écartement entre les diodes llb n'est plus limité par des impératifs technolo- giques, mais physiques. Il faut en effet que les anodes soient suffisamment éloignées l'une de l'autre pour ne pas débiter l'une dans l'autre, ce qui revient à dire que 1' l'écart entre les anodes actives, c'est-à-dire connectées, doit être grand devant la longueur de diffusion des por- teurs minoritaires dans le semiconducteur 15b. Dans la pratique, l'écartement ne doit pas être inférieur à 15 microns pour l'arseniure de gallium. Mais, les problèmes de positionnement de masque rendent difficile un alignement exact et imposent alors un pas de répartition des diodes de 15 pm au moins pour être certain que tous les fils llb sont connectés. Toutes les solutions envisagées jusqu'à présent utilisent un rideau d'antennes discrètes. Mais on peut également les fusionner sous forme d'un capteur unique en forme de plaque, équivalant à des antennes infiniment rapprochées. La disposition est alors celle schématisée en figure 5, comportant une plaque proprement dite 17 se prolongeant par des pointes 18. Ces pointes peuvent être constituées par la partie terminales de fils solidarisés de la plaque ou par des prolongements de celle-ci lors- qu'elle est réalisée par photogravure. La longueur L de la plaque sera toujours de plusieurs longueurs d'onde. En conséquence, le lobe d'antenne principal ne sera pas perpendiculaire au rideau. Une étude systématique de l'influence du rapport l/L de la largeur à la longueur de l'antenne a montré la présence d'un maximum qui, pour L = 5 X (X étant la longueur d'onde), est relativement plat. Dans la pratique, des résultats satisfaisants en ce qui concerne l'importance du lobe principal par rapport aux lobes latéraux sont obtenus pour l/L compris entre 3,5/5 et 4/5. La largeur du lobe principal est réduite à 250 environ dans un plan parallèle à la longueur de la plaque 17 et perpendiculaire à cette plaque. La symétrie de révo- lution est totalement rompue, et, avec cinq fils répartis régulièrement, on obtient un lobe principal de 250 de largeur environ, très supérieur aux lobes secondaires. Il faut remarquer au passage que, du fait de la très haute fréquence, les courants se répartissent unique- ment sur les bords de la plaque, dans la zone schématisée en hachures sur la figure 5. En conséquence, il sera toujours avantageux de disposer les deux pointes extrêmes 18 dans le prolongement des arêtes latérales. L'amplitude du lobe principal augmente sensiblement comme n (n étant le nombre de fils ou de pointes). Quant à l'amplitude du second lobe, elle semble se saturer dès qu'on dépasse n = 5 environ. Dans la pratique, il apparait que 5 fils ou pointes donnent déjà des résultats satisfai- sants et que la complexité accrue n'est pas justifiée par une augmentation appréciable au-delà de dix fils. Lorsque le nombre de fils ou de pointes est élevé, le schéma équivalent au système est celui donné en figure 6. Il comprend plusieurs charges Z1, Z2... Zn constituées par les anodes connectées en parallèle, d'o diminution de l'impédance totale qui charge le générateur. On désigne- ra par Za l'impédance associée au générateur équivalent à l'antenne. L'adaptation sera optimale et se traduira par une sensibilité maximum si Za = Z, impédance équiva- a eq lente à l'ensemble des charges, donnée par -1 n 1 eq i L'impédance Za dépend de la fréquence et des dimensions. Les impédances Zi dépendent également de la fréquence et des dimensions, ainsi que du dopage. Dans chaque cas, une approximation pourra être faite par le calcul. A titre d'exemple, on peut noter qu'un optimum a été obtenu à 1 THz pour les valeurs suivantes des paramètres: -9- n = 7 fils L = 1,7 mm, soit approximativement 5? 1 = 1,35 mm, soit approximativement 4X (A = 337 microns) diamètre des diodes - 0,8 micron épaisseur d'épitaxie 1500 densité de porteurs N = 1017 /cm3. La sensibilité obtenue était de l'ordre de 27 Volts par Watt, sans utilisation d'aucun réflecteur. Afin de diminuer l'influence des lobes secondaires qui subsistent dans les antennes qui viennent d'être décrites, on peut avantageusement leur adjoindre un ou des réflecteurs qui modifient le diagramme de rayonnement de l'antenne, notamment en restreignant le domaine de visibilité de celle-ci. Parmi les dispositions d'antenne utilisables, on peut citer celles schématisées en figures 7 et 8 comportant trois réflecteurs. Dans le cas illustré en figure 7, utili- sant deux réflecteurs parallèles 20 et 21, parallèles à la direction F d'arrivée du rayonnement incident, le rideau d'antennes est placé à un angle 0 (figure 1) par rapport à F, l'extrémité du rideau raccordée aux éléments à réponse non linéaire étant à proximité du troisième réflecteur 22. L'optimisation peut alors s'effectuer en réglant successi- vement la distance 11 entre le réflecteur 20 et les pointes, puis la distance 12 entre le réflecteur 21 et l'autre extrémité du rideau, et enfin la distance 13' A titre d'exemple, on peut noter que pour 1 = 0,98 X, on a trouvé un maximum de sensibilité pour 12 = 4,58 X. Pour ces deux valeurs enfin, l'optimum a été atteint pour 13 = 1,76 X X étant la longueur d'onde incidente. Dans la disposition représentée en figure 8, le réflecteur 20 est parallèle à la direction du rayonnement incident F et le réflecteur 21 parallèle au rideau d'an- tenne. L'optimisation peut alors s'effectuer en réglant successivement x1, x2 et x3 (le troisième réflecteur n'étant pas essentiel). On a trouvé que l'optimum correspondait sensiblement à x1 = 0,98? et x2 alors égal à 0,588?., 246219 1 - 10- 1,609À ou 2,693A. L'une ou l'autre des deux dispositions ci-dessus permet de multiplier l'amplitude du signal détecté par un facteur qui est en général compris entre 5 et 8; Les détecteurs qui viennent d'être décrits sont susceptibles de nombreuses réalisations pratiques dont l'une, comportant des réflecteurs, est montrée en figures 9 à 11. Le dispositif montré sur les figures comprend un bottier 23 en plusieurs pièces assemblées, dans lequel sont percés deux alésages perpendiculaires 24 et 25 concourants. Le détecteur proprement dit est placé dans la chambre 29 commune aux deux alésages. Le dispositif est prévu pour être orienté, lors du fonctionnement, de façon que le rayonnement incident F soit dans l'axe de l'alésage 25. Dans cet alésage coulisse un réflecteur 22d déplaçable à l'aide d'une tige filetée 26-dans un bouchon 27, à l'aide d'un écrou 28. Deux réflecteurs 20d et 21d sont montés de façon similaire pour être déplaçables face à face dans l'alésage 24. On peut prévoir encore un réflec- teur supplémentaire 30 {figure 11) dans un troisième alésage perpendiculaire aux deux précédents.. Le détecteur est porté par une tige de guidage 31 (figures 9 et 10) guidée dans un passage du boîtier faisant, avec l'axe de l'alésage 25, l'angle O. La tige 31 est réglable en position à l'aide d'une vis d'ajustement 32. On supposera que le détecteur est du type illus- tré en figure 5. Le capteur plaque 17 est relié à une prise de sortie 33 située dans le prolongement de son arête éloignée des diodes. Il est relié aux diodes, portées par la tige 31, par une série de pointes parallèles. Pour travailler en bande étroite, alors que les diodes Schottky constituent des détecteurs à large bande, on aura intérêt à le placer dans une cavité résonnante. Pour cela, on dispose, dans l'ouverture de l'alésage 25 qui reçoit le rayonnement incident, de grilles 34 dont la distance est réglable par des moyens non représentés. Ces deux grilles jouent un rôle d'interféromètre 2fr52791 Fabry-Perrot, ajustant la transmission d'entrée et per- mettent de constituer une cavité multi-mode dont le couplage avec le capteur peut être ajusté par touches jusqu'à la valeur critique. Les-figures 9 à 11 correspondent à une disposi- tion de réflecteurs suivant le schéma de la figure 7. Mais on peut aussi bien disposer les alésages de façon que les récepteurs reproduisent le schéma de la figure 8. Quel que soit le mode de réalisation adopté, on voit qu'on obtient une structure ouverte augmentant notablement la sensibilité du détecteur et réduisant le diagramme de rayonnement pratiquement à un seul lobe, dont le développement angulaire est de l'ordre de 200. Comme on l'a indiqué plus haut, le dispositif peut être utilisé en détecteur vidéo fréquence, avec sortie par connecteur hyperfréquence sur ligne plate. Un Té permet alors de relier l'antenne à une source continue de polarisation des diodes. Il peut également être utilisé en hétérodyne. L'invention est susceptible de- nombreux modes de réalisation autres que ceux décrits à titre d'exemples. En particulier, on peut utiliser un semi- conducteur autre que Ga As, à condition que la mobilité des porteurs y soit du même ordre ou supérieure. On peut citer Inx As Ga1 x dopé en tellure, Zn As, In Sb et Hg Cd Te. IxAG 1-x Il va sans dire que l'invention s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. -12 - 2462791 REVENDICATIONS 1. Détecteur rapide d'ondes submillimétriques, comprenant un réseau plat d'éléments sur semiconducteur à réponse non linéaire, caractérisé en ce qu'il comporte un rideau plan d'antennes longues parallèles, associées aux éléments détec- teurs à réponse non linéaire par des contacts ponctuels. 2. Détecteur suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le rideau est constitué par une nappe de fils parallèles en contact avec des éléments détecteurs respectifs par une pointe émoussée ou de conducteurs liné- aires réalisés par photogravure sur une couche mince isolante recouvrant un support semiconducteur sur lequel sont constitués les éléments à réponse non linéaire. 3. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rideau est constitué par un capteur en forme de plaque couplé aux éléments à réponse non linéaire par des pointes distinctes. 4. Détecteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque a une longueur correspon- dant à quelques longueurs d'onde et une largeur comprise entre 3,5-cinquièmes et 4,5 cinquièmes de la longueur. 5. Détecteur suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les pointes appartiennent à des fils parallèles solidaires électriquement et mécaniquement de la plaque, en saillie à partir de celle-ci, disposés symétriquement par rapport au plan médian de la plaque, les deux fils extrêmes étant disposés le long des arêtes latérales de la plaque. 6. Détecteur suivant la revendication 3, 4 ou , caractérisé en ce que les caractéristiques du capteur plaque sont choisies de façon que son impédance Za soit conjuguée de l'impédance Zeq équivalente à l'ensemble des charges constituées par les éléments détecteurs à réponse non linéaire, donnéepar: n 1 = i 1 Zeq i Zi Zi étant l'impédance élémentaire d'un élément non liné- aire et n le nombre de ces éléments. - 13 - 7. Détecteur suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les éléments détecteurs à réponse non linéaire sont constitués par des diodes Schottky sur semiconducteur composé, avantageusement Ga-As, dont l'écartement entre elles est au plus égal à 15 microns. 8. Détecteur suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend cinq à dix éléments détecteurs ou fils d'éléments détecteurs. 9. Détecteur suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réflecteur de modification du diagramme du rideau d'antennes. 10. Détecteur suivant la revendication 9, caracté- risé en ce que le rideau plan d'antennes est placé dans une cavité délimitée par ledit réflecteur et au moins une grille d'entrée.