Brevet FR2574239A1 — publié le 19860606

CAPTEUR D'IMAGES POUR CAMERA FONCTIONNANT EN MODE "JOUR-NUIT" L'invention concerne un capteur d'images pour caméra munie d'un double fonctionnement, en mode "jour" et en mode "nuit", présentant dans une enveloppe vidée d'air: a) sur une fenêtre d'entrée, une photocathode semi-transparen- te pour transmettre les photons incidents ou les convertir en photoélectrons selon respectivement le mode "jour" ou le mode "nuit" b) sur un support de sortie, un détecteur pouvant convertir, en un signal électrique d'images, respectivement les photons incidents ou les photoêlectrons, selon le mode "jour"' ou le mode "nuit"- c) des moyens électroniques de focalisation des photoélectrons sur le détecteur, et des moyens optiques de focalisation des photons sur la photocathode ou le détecteur selon respective- ment le mode "nuit" ou le mode "jour". Une invention de ce genre est connue du brevet des Etats-Unis n 3 735 139. Il y est décrit un système de pho- todétection disposant d'une possibilité de double fonctionne- ment en mode "lumière intense" et en mode "obscurité". Pour cela, dans une enveloppe à vide de forme tubulaire sont disposés A une extrémité une photocathode, pou- vant être semi-transparente, et à l'autre extrémité de l'en- veloppe, un détecteur formé d'une ligne de photodiodes. A l'intérieur de l'enveloppe est disposée une structure de canon électronique form6e d'un certain nombre d'électrodes mises à des hautes tensions régulièrement réparties à l'aide de ponts de résistances. A l'extérieur de l'enveloppe sont disposées des bobines de déflexion et des bobines de focalisation pour agir sur les photoélectrons émis et les défléchir et les foca- liser sur le détecteur. Egalement à l'extérieur de l'envelop- -2 - pe, mais dans ce cas pour traiter le flux de lumière incident, sont disposées plusieurs lentilles qui permettent de focaliser une image soit directement sur le détecteur lorsque la lumibre est intense, soit sur la photocathode lors d'un fonctionnement en obscurité. I1 est nécessaire alors d'intervenir sur le nom- bre et/ou la position de ces lentilles pour assurer le double fonctionnement. Le détecteur est à la fois sensible au rayonne- ment direct de photons et au flux de photoélectrons- émis par la photocathode en réponse au rayonnement de photons. Mais ce système présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord les moyens électroniques de focalisation, qui font appel à une technique éprouvée sont volumineux, d'une mise en oeuvre longue et délicate, nécessitant un empilement d'électro- des sous haute tension. Il s'y rajoute des moyens électroni- ques de balayage imposés par le fait que le flux d'électrons focalisé doit être déplacé sur toute la surface utile du détec- teur pour engendrer une image à deux dimensions. De ce fait, le temps de pose ou "temps d'intégration" de chaque point de l'image est limité à la durée d'une ligne. En outre, les moyens optiques de focalisation, présentent des inconvénients dus en particulier au fait qu'il est nécessaire de modifier le nombre et la disposition des lentilles selon le mode de fonctionnement choisi pour pouvoir focaliser le rayonnement de photons soit sur la photocatLhode soit sur le détecteur et ceci sur une gran- de profondeur. Le but de l'invention est donc de supprimer les- inconvénients qui viennent d'être évoqués notamment en donnant au capteur d'images une grande compacité par une- conception mo-- difiée.: Pour cela, l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable: - en ce que la photocathode semi-transparente est constituée d'une lame mince ayant au moins une couche active d'un matériau n-aire III-V, - en ce que le détecteur est constitué d'un dispositif à trans- -3 - fert de charges bidimensionnel, - et en ce que les moyens électroniques pour focaliser les pho- toélectrons sur le dispositif à transfert de charges sont cons- titués de moyens de focalisation de proximité. La photocathode semi-transparente est placée à l'intérieur de l'enveloppe à vide constituant le capteur d'ima- ges. La fenêtre d'entrée est constituée d'un substrat transpa- rent au rayonnement, en verre ou en oxyde monocristallin tel que le corindon, sur lequel est déposée la photocathode semi- transparente. Cette photocathode comprend une couche active constituée d'un matériau n-aire III-V par exemple en arséniure de gallium GaAs. La méthode de réalisation de la fenêtre d'en- trée munie d'une photocathode semi-transparente reprend, dans ses différentes étapes, celle utilisée pour une photocathode non transparente. Elle consiste à faire croître, typiquement par épitaxie en phase liquide, sur un substrat provisoire d'un com- posé III-V, tel que l'arséniure de gallium GaAs, une couche dite d'arrêt chimique Gai-x Aix As, qui agit comme une couche d'arrêt vis-à-vis de l'action de la solution de décapage utili- sée ensuite pour enlever le substrat provisoire. Une épaisseur de couche d'arrêt de l'ordre de 0,5 à 5 pm a conduit à des ré- sultats satisfaisants. On fait croître ensuite une couche dite active, généralement d'arséniure de gallium trbs fortement dopé jusqu'à 1019 atomes/cm3, par exemple au moyen de germanium (Ge) ou de zinc (Zn). Une épaisseur de couche active de l'ordre de 0,5 lm convient pour une application en tant que photocathode semi-transparente. On forme enfin une couche passivante pour empêcher la diffusion de substances indésirables dans la couche active lors des étapes ultérieures de scellement, et pour dimi- nuer la recombinaison des porteurs de charge à l'interface. Une couche passivante de GalyAlyAs d'une épaisseur de couche de l'ordre de 5 pm satisfait à cet usage. Cette hétérostructure semiconductrice, munie de couches de protection SiO2 et d'adaptation d'indice Si3N4, est -4- alors liée & un support, transparent aux photons, généralement formé d'un verre borosilicate. La liaison-est obtenue par ther- mocompression en élevant la température juste au-dessus de la température de ramollissement du verre. Une fois la liaison ef- fectuée, le substrat provisoire et la couche d'arrêt sont dé- capés au moyen de deux solutions d'attaque différentes; dans l'exemple décrit, le substrat provisoire de GaAs est attaqué au moyen d'un mélange d'ammoniaque et d'eau oxygénée, alors que la couche d'arrêt, insensible à cette premiere solution d'attaque, est retirée au moyen d'acide fluorhydrique après protection du support vitreux. Le produit obtenu comprend alors un support vitreux faisant office de fenêtre d'entrée, une couche d'adap- tation d'indice de Si3N4, une couche de protection de SiO2, une couche passivante et une couche active de très bonne qualité. Les couches d'adaptation d'indice de Si3N4, de protection de SiO2, et la couche passivante peuvent éventuellement être modi- fiées en nombre et en nature, en fonction de l'application. Enfin, avant utilisation de cette structure semi- conducteur-support vitreux comme photocathode, on procède à une désorption sous vide de la surface de la couche active de GaAs, par chauffage jusqu'à une température proche du point d'évapo- ration congruente du composé, qui, pour le GaAs, est voisin de 630 C. La couche active est alors recouverte d'une cou- che de cesium-oxygbne au cours d'un processus de cesiation sous vide à température ambiante afin de donner à la couche active de GaAs une sensibilité photoélectrique maximale. Pour mieux contrbler l'évolution des contraintes pouvant apparaître dans la couche active en GaAs, il est possi- ble d'utiliser un support vitreux constitué d'un empilement de plusieurs lames de verres aux propriétés thermoélastiques et thermovisqueuses appropriées, connu de l'art antérieur. La photocathode en arséniure de gallium ainsi réalisée, ne présente que de trës faibles irrégularités de sur- face, ce qui permet d'utiliser une focalisation de proximité -5- pour focaliser les photoélectrons. L'épaisseur de la couche active de GaAs est typi- quement de 0,5 pm selon l'invention. Cette épaisseur constitue un compromis, nécessité par l'objet de l'invention qui est, se- Ion le mode de fonctionnement, de disposer d'une photocathode qui absorbe les photons en mode "nuit" et au contraire les transmet en mode "jour". La semi-transparence de la photocatho- de dépend évidemment de la longueur d'onde de la lumière inci- dente. Le spectre de lumière qui est principalement concerné par l'invention s'étend de 0,5 pm à 0,9 pm environ. Dans cette gamme c'est la couche active de GaAs qui gouverne les mécanis- mes d'absorption et de transmission de photons. Pour cette gamme de longueurs d'ondes les valeurs de la transparence sont indiquées dans le tableau 1: Longueurs d'ondes en pm 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 i Transparence en % 5 8 18 40 68 70 TABLEAU 1 Ces valeurs sont à associer aux valeurs de sensi- bilitë du dispositif à transfert de charges (décrit ci-après) pour la même gamme de longueurs d'ondes indiquées dans le ta- bleau 2 À Longueurs d'ondes en lm 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Sensibilité 50 65 75 70 50 25 (efficacit quantique %) _ TABLEAU 2 Ces valeurs montrent que la transparence de la photocathode en GaAs croît avec la longueur d'onde (dans la - 6 - gamme indiquée) et que les valeurs maximales de transparence et le maximum de sensibilité du dispositif à transfert de char- ges se situent sensiblement pour les mêmes longueurs d'ondes. Un dispositif à transfert de charges est un re- gistre à décalage pour des signaux analogiques. Sous sa forme la plus simple, il est formé d'un substrat monocristallin semi- conducteur sur lequel sont placées différentes électrodes iso- lées du substrat par des couches d'oxydes. Le substrat est' généralement du silicium et l'i- solant est de l'oxyde de silicium. Le dispositif à transfert de charges stocke les échantillons du signal sous la forme de-.pa- quets de charges, puis les transfère en parallèle jusqu'à un amplificateur de charges, tout en gardant les paquets de char- ges isolés les uns des autres. Selon les technologies utilisées ceci nécessite deux, trois ou quatre électrodes consécutives pour former un élément mémoire. Pour effectuer les transferts, on applique sur les électrodes des 'signaux d'horloge périodi- - ques dont les phases sont décalées de une demie, un tiers ou un quart de période d'horloge suivant le nombre d'électrodes cons- tituant chaque élément mémoire. Il se crée ainsi des puits de potentiel qui sont translatés progressivement sur toute la li- gne formée d'une suite d'éléments mémoire. Les charges qui sont générées lors de la prise de l'image sont ainsi translatées par le déplacement de ces puits de potentiel jusqu'à l'amplifica- teur de charge en sortie. Les dispositifs à transfert de charges destinés à l'imagerie remplissent une double fonction, celle de détection de l'image et celle de transfert des charges créées. Ces dispo- sitifs peuvent être organisés avec une zone sensible et une zo- ne mémoire, elles-mêmes constituées d'un ensemble de lignes et de colonnes. Leur structure est alors dite à- "transfert de tra- me" connue de l'homme de l'art. Cette structure est bien adap- tée à une détection par la face arrière du dispositif A trans- fert de charges. Selon l'invention on utilise le dispositif à - 7 - transfert de charges (DTC) a deux dimensions en exploitant pour l'injection des charges la propriété qu'il a d'être sen- sible à la fois aux photons et aux photoélectrons. Pour cela, il est nécessaire d'adapter le DTC & cette application. En ef- fet, tel que réalisé habituellement le DTC présente ensurface des couches de protection, principalement d'oxydes, ainsi que des contacts et des connexions qui nuisent à la création des charges par les photoélectrons dans les puits de potentiel placés sous les électrodes. Il est donc nécessaire de créer les charges par l'arrière du DTC. Pour cela on réduit préala- blement, au niveau de la zone sensible, l'épaisseur du subs- trat de silicium, qui initialement est de l'ordre de 400pm sur lequel est déposée la structure électronique constituant le DTC. Par ailleurs, la face arrière du DTC aminci devra être en régime d'accumulation des porteurs-majoritaires, pour abaisser le taux de recombinaison de surface. Pour cela, on réalise le DTC sur un matériau épi- taxié, constitué d'un substrat fortement dopé P++ au bore (1019 atomes/cm3), sur lequel est déposée une couche épitaxiée P de 8 à 12pm d'épaisseur, faiblement dopée au bore (5.1014 atomes/cm3) sur laquelle est réalisé le circuit. La réduction d'épaisseur s'opère en deux temps par polissage chimique, à la température ambiante, sur la zone sensible. Tout d'abord une préattaque chimique rapide, iso- trope, va consister à enlever la majeure partie du substrat, soit environ 380pm. Ceci se fait à l'aide d'une solution d'a- cide nitrique, d'acide acétique et d'acide fluorhydrique dans les proportions 5: 3: 3. La régularité de l'attaque est très sensible aux conditions d'agitation du bain et de l'échantil- lon. Un mouvement rotatif à 200 tr/minute conduit à une bonne régulatité d'épaisseur finale. Cette attaque chimique est ar- rêtée dès l'apparition d'une teinte pourpre de l'échantillon examiné en transparence, ce qui correspond à une épaisseur restante d'environ 20pm. Ensuite on effectue une attaque lente destinée à - 8 - ne laisser en face arrière qu'une couche surdopée de 0,51m à l-m d'épaisseur. Cette attaque est faite à L'aide d'une solu- tion d'acide nitrique, d'acide acétique et d'acide fluorhydri- que dans les proportions 3:8:1, en présence de peroxyde d'hy- drogëne à raison de 5ml pour 350ml de solution. L'attaque s'arrête pour des dopages inférieurs à 1017 atomes/cm3. Cette dernière opération assure à la fois une bonne régularité d'é- paisseur, et conserve une couche surdopée P+ en face arrière réalisant le régime d'accumulation recherché. La prise des contacts sur la périphérie du dispo- sitif à transfert de charges est réalisée avant les attaques chimiques. Cette prise de contact s'effectue à l'aide de pas- tilles métalliques placées entre les plots de contact du dis- positif à transfert de charges et un support de montage en co- rindon ou en verre sur lequel des pistes conductrices sont disposées soit par sérigraphie soit par gravure. La périphérie de l'échantillon et le substrat sont protégés pendant l'atta- que chimique par un masque de cire déposé au pinceau. L'épaisseur de la zone sensible du dispositif à transfert de charges est ainsi réduite d'environ 400pm à envi- ron lOpm. Ceci permet aux photons et aux photoélectrons d'être absorbés à une distance suffisamment proche des puits de po- tentiel pour que les charges créées y parviennent sans recom- binaison de volume ou de surface, ni diffusion latérale. Les charges ainsi stockées dans la structure à deux dimensions sont lues, ligne par ligne, en les transportant dans un regis- tre à décalage de sortie dont la lecture fournit un signal électrique. Celui-ci peut alors être visualisé par des dispo- sitifs habituels, par exemple un téléviseur. Une caractéristique essentielle de l'invention consiste en ce que la photocathode semi-transparente et le dis positif à transfert de charges sont disposés de telle sorte qu les photoélectrons, issus de la photocathode, sont focalisés par proximité sur le dispositif à transfert de charges. Cette focalisation se caractérise par une très faible distance entre -9_ les deux élénents mis en regard. Pour le capteur d'images, se- lon l'invention, cette distance est typiquement de l'ordre de 2 rmm, ce qui supprime l'emploi de toute électrode intermédiaire d'accélération et de focalisation. L'image électronique en pro- venance de la photocathode se trouve ainsi reproduite sur le détecteur, les distorsions et les aberrations étant suffisam- mient faibles pour ne pas nuire à la qualité de l'image. La photocathode et le dispositif à transfert de charges sont reliés aux bornes d'un générateur haute tension, typiquement de 10 kvolts selon l'invention, soit un champ élec- trique de 5 kvolts/mm. En appelant G le gain électronique du DTC tel que la charge incidente soit multipliée par G pour obtenir la char- ge de signal créée en chaque point du DTC, on a G = q(VVO) -- Ei o V est la différence de potentiel entre la photocathode et le DTC; ci = 3,6 électron-volts, soit l'énergie moyenne nécessaire pour créer une paire électron-trou dans du silicium bombardé par des électrons de quelques kiloêlectron-volts; Vo eat un paramètre technologique rendant compte des effets de recombinaison de surface sur la face arrière bombardée. En pra- tique on a Vo = 3 kV; q = 1,6 x 10-19Cb. Dans le cas des valeurs qui viennent d'être ci- tées ce gain se trouve être proche de 2000. Pour définir les performances du capteur d'ima- ges, il y a lieu de se référer à une source de lumilre type éclairant la photocathode. Une telle source est constituée par un corps noir émettant A une température de 2854 K. En inté- grant sur le spectre de longueurs d'ondes utile pour le capteur d'image, qui se situe dans la bande 0,5pm à lpm environ, on obtient une transparence moyenne de 30% pour la photocathode semi-transparente. Compte tenu du gain électronique G = 2000, - 10 - ceci permet de d6tecter quelques photo6lectrons par pixel et par trame. Lorsque l'on considère l'utilisation en fonction- nement "nuit" il est ainsi possible d'opérer avec des éclaire- ments pouvant descendre à environ i0-4 lux. La gamme d'éclaire- ment sur la photocathode s'étend donc de 1000 lux environ en mode "jour", à 10-4 lux environ en mode "nuit". En fonctionne- ment "jour", la photocathode semi-transparente n'introduit qu'une perte de 30% en moyenne par rapport à un- DTC utilisé seul. Le principe de fonctionnement du capteur d'images destiné è être introduit dans une camera ayant un fonctionne- ment "jour" et "nuit", est le suivant. La camera comprend un dispositif optique permettant de focaliser une scène soit sur la photocathode semitransparente, soit sur la face arrière du dispositif à transfert de charges. En mode "jour", l'intensité de l'éclairement étant suffisante, le dispositif optique focalise l'image sur le dispositif à transfert de charges. Celui-ci étant sensible au rayonnement photonique transfo arme l'image optique en un si- gnal électrique qui est exploité par des moyens électroniques conventionnels. Il n'existe alors aucune haute tension appli- quée entre la photocathode et le dispositif à transfert de charges, et aucun photoêlectron n'atteint ce dernier. - En mode "nuit" l'éclairement étant faible, le dispositif optique focalise l'image sur la. photocathode. Une différence de potentiel, par exemple de 10 Kvolts, est appli- quée entre la photocathode et le dispositif & transfert de charges. Les photoêlectrons, qui sont émis par la photocathodée. sous l'action du rayonnement photonique, sont accélérés et créent dans le dispositif à transfert de charges des paires âlectrons-trous qui génèrent un signal électrique qui est ex- ploité par les mêmes moyens électroniques conventionnels que précédemment. La faible distance et le fort champ électrique apparaissant entre la photocathode et le dispositif à transfert - il - de charges ainsi que la structure monocristalline et le maté- riau III-V utilisé font que la composante latérale moyenne de l'énergie initiale des photoelectrons est faible, ce qui assure une bonne définition de l'image finale restituée. Celle-ci est de l'ordre de 30 paires de lignes par millimètre. Le capteur d'images a- té décrit avec une photo- cathode en arséniure de gallium. Il est bien sur possible d'u- tiliser d'autres matériaux de type n-aire (ternaire, quater- naire...) pour réaliser cette photocathode dans la mesure o l'état de surface de la couche active permet d'utiliser une fo- calisation de proximité. Ces-couches peuvent-être réalisées non seulement par épitaxie en phase liquide mais également par épi- taxie aux organo-métalliques en phase vapeur. L'invention sera mieux comprise à l'aide des des- * sins, donnés à titre d'exemple non-limitatif, qui représentent: figure 1: une vue partielle en coupe d'un cap- teur d'images selon l'invention; - figure 2: un réseau de courbes représentant la transmission de la photocathode semi-transparente, la sensibi- lité du dispositif à transfert de charges et la sensibilité du capteur d'images en fonction de la longueur d'onde du rayonne- ment incident. Sur la figure 1 est représenté un capteur d'ima- ges selon l'invention. Il est constitué d'une enveloppe à vide formée d'une fenêtre d'entrée 11, d'un support arrière 13 et d'un manchon périphérique 10. La fenêtre d'entrée 1I constitue également le substrat d'une photocathode 12. Le support arrière 13 comporte un certain nombre de passages électriques 15 étan- ches au vide dont deux sont représentés sur la figure pour ne pas alourdir le dessin. Le support de montage 16, qui reçoit le dispositif à transfert de charges aminci 14, est fixé sur le support arrière 13 du détecteur d'images, en utilisant les pas- sages électriques 15 affectés aux connexions de masse, ceux-ci étant munis d'une rondelle de blocage soudée électriquement. La photocathode semi-transparente 12, réalisée selon la méthode - 12 - décrite préalablement, est disposée -en face du dispositif à transfert de charges aminci du côté de la face arrière 27 de celui-ci. Selon le mode d'utilisation la différence de poten- tiel peut être appliquée entre celui des passages électriques représentés par le repère 15 qui est relié au substrat du dis- positif à transfert de charges et le passage électrique 17 re- lié à la photocathode à l'aide d'une couronne métallique 18 de nickel chrome déposée par évaporation sous vide. Le dispositif optique non représenté projette l'image soit sur la photocatho- de 12 soit sur le dispositif à transfert de charges 14. Le dispositif à transfert de charges présente sur sa face avant 26 et à sa périphérie des plots de connexion réa- lisés lors des opérations d'élaboration du dispositif lui-même. Par ailleurs le support de montage 16, constitué par exemple d'une plaque de corindon ou de verre présente un motif de pis- tes conductrices 22, gravées ou sérigraphiées. Les plots de connexion du dispositif à transfert de charges sont connectés au motif de pistes conductrices 22 à l'aide de soudure ou équi- valent. Des fils de connexion 24 reprennent par thermocompres- sion les contacts sur la périphérie du support de montage 16 et assurent le contact électrique avec les passages électriques 15. - Sur la figure 2 sont représentées trois courbes dans la gamme de longueurs d'ondes allant de 0,4 pm à 1,1 pm. - La courbe 30 représente la transmission d'une photocathode semitransparente en GaAs. Compte-tenu des pertes par réflexion qui apparaissent sur les faces d'une telle photocathode à cause des variations d'indices optiques, on constate que la transmis- sion maximale, égale à 70% est atteinte vers 0,91m. - La courbe 31 représente la sensibilité d'un dispositif à transfert de charges en silicium. Celle-ci est maximale vers 0,71Dm, devenant nulle pour l,lpm. - La courbe 32 représente la sensibilité du capteur d'images selon l'invention. Elle est maximale vers 0,85pm. L'invention a été décrite pour une épaisseur de - 13 - photocathode de 0,5 m. Il est bien sûr possible de modifier cette valeur, ce qui a pour effet de déplacer la longueur d'on- de o apparaît la sensibilité maximale du capteur d'images. Pour rester dans le cadre de l'invention il faut que l'épais- saur de la photocathode soit telle que suffisamment de photons atteignent le détecteur en mode "jour", mais également que suf- fisamment de photoélectrons soient crées par la photocathode en mode "nuit" - 14 - REVENDICATIONS: 1. Capteur d'images pour camera munie d'un double fonctionnement, en mode "jour" et en mode "nuit", présentant dans une enveloppe vidée d'air: a) sur une fenêtre d'entrée, une photocathode semi-transparente pour transmettre les photons incidents ou les convertir en photoélectrons selon respectivement le mode "jour" ou le mode "nuit", b) sur un support de sortie, un détecteur pouvant convertir, en un signal électrique d'images, respectivement les photons inci- dents ou les photoélectrons, selon le mode "jour" ou le mode "inuit", c) des moyens électroniques de focalisation des photoélectrons sur le détecteur, et des moyens optiques de focalisation, des photons sur la photocathode ou le détecteur selon respective- ment le mode "nuit" Ou le mode "jour", caractérisé: - en ce que la photocathode semi-transparente est constituée d'une lame mince ayant au moins une couche active d'un matériau n-aire III-V, - en ce que le détecteur est constitué d'un dispositif à trans- fert de charges bidimensionnel, - et en ce que les moyens électroniques pour focaliser les photoélectrons sur le dispositif è transfert de charges, sont constitués de moyens de focalisation de proximité. 2. Capteur d'images selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le dispositif à transfert de charges comprend un substrat qui est aminci afin que les photons et les photo- électrons agissent sur la partie active du dispositif à trans- fert de charges à travers le substrat aminci. 3. Caméra "jour-nuit", caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur d'images selon une des revendications 1 ou 2.