Brevet FR2611404A1 — publié le 19880902

DETECTEUR DE RAYONS INFRAROUGES La présente invention se rapporte i un détecteur de rayons infrarouges, et plus particulièrement i un dé- tecteur d'efficacité élevée et pouvant être fabriqué en grande série. Les figures 6 et 7 montrent une vue en perspec- tive et une vue latérale d'une structure d'un élément de détection de rayons infrarouges de l'art antérieur, et la figure 8 montre une structure d'un détecteur de ra- yons infrarouges de l'art antérieur. Dans ces figures, la référence numérique 2 dési- gne un cristal HgCdTe, la référence numérique 3 désigne une électrode, la référence numérique 4 désigne une sur- face recevant la lumière, et la référence numérique 1 désigne un élément de détection de rayons infrarouges. La référence numérique 5 désigne une plaque de support apte i recevoir l'élément de détection de rayons infra- rouges 1, comprenant une matière isolante telle un sa- phir, et la référence numérique 6 désigne un adhésif. La référence numérique 7 désigne un récipient sous vide adiabatique (désigné ci-après "vase de Dewar"). La réfé- rence numérique 8 désigne un verre constituant la paroi du récipient 7, la référence numérique 9 désigne un al- liage de série fernico constituant une portion sur la- quelle est monté l'élément de détection de rayons infra- rouges 1. La référence numérique 10 désigne une fenêtre transparente aux rayons infrarouges comprenant du ZnS pour l'introduction du rayon infrarouge dans le réci- pient 7, la référence numérique 11 désigne un conducteur dont une extrémité est reliée à l'électrode 3 de l'élé- ment de détection de rayons infrarouges 1, tandis que son autre extrémité est reliée au conducteur d'électrode 27. La référence numérique 12 désigne une section creuse 2 6 1 1 4 04 apte A recevoir un refroidisseur, prévu au centre du va- se de Dewar 7, et la référence numérique 13 désigne un détecteur de rayons infrarouges constitué tel quel. Le cristal HgCdTe 2 est un composé semi-conduc- teur présentant une faible largeur de bande interdite, et il est d'usage répandu en tant que matière pour élé- ments de détection de rayons infrarouges, c'est-i-dire apte i détecter des rayons infrarouges de la bande al- lant de 3 i 5 pm ou 10 pm. Le cristal HgCdTe 2 est fixé sur une plaque sup- port 5 au moyen d'un adhésif 6, après quoi celui-ci est amené i une épaisseur d'environ 10 pm par un procédé tel que le meulage ou décapage, et la matière de métallisa- tion sous vide telle que l'indium est métallisée sous vide sur la surface autre que la surface recevant la lu- mière 4 pour produire une électrode 3. Une pellicule oxydée d'anode, une pellicule de protection telle qu'une pellicule de ZnS, et un revêtement réduisant la réfle- xion ou similaire sont prévus sur la surface recevant la lumière 4. De cette manière est fabriqué un élément de détection de rayons infrarouges 1. L'élément de détection de rayons infrarouges 1 est fixé sur l'alliage série fernico 9 du vase de Dewar 7 tout en réalisant le côté de la plaque de support 5 sur le côté de l'alliage 9 en utilisant l'adhésif 6. et après quoi l'air se trouvant à l'intérieur du vase de Dewar 7 est évacué jusqu'A l'obtention d'un vide dans le vase, produisant ainsi un détecteur de rayons infrarou- ges 13. L'élément de détection de rayons infrarouges 1 est logé dans le vase de Dewar 7 de façon à permettre le refroidissement de l'élément de détection de rayons in- frarouges 1 jusqu'i une température inférieure à 200K. Ce refroidissement de l'élément de détection de rayons infrarouges 1 est réalisé grîce i un refroidisseur in- troduit dans la section creuse 12 au centre du vase de 2 6 1 1 4 04 Dewar 7. Un refroidisseur Joule-Thomson, un refroidis- seur de cycle Stirling. un refroidisseur d'élément Pel- tier ou de l'azote liquide peuvent être utilisés en tant que refroidisseur. Dans un détecteur de rayons infrarouges destiné i un objet volant guidé, il faut que la période allant du début du refroidissement à la mise en route du fonc- tionnement (désignée ci-après 'durée de refroidisse- ment") soit courte. En fait. on utilise habituellement un refroidisseur Joule-Thomson et la durée de refroidis- sement doit être inférieure à quelques secondes. De plus, bien que le vase de Dewar 7 puisse être utilisé avec une évacuation de l'air dans celui-ci au moyen d'une pompe sous vide reliée i celui-ci, dans le cas o la miniaturisation et l'allègement du détecteur de rayons infrarouges 13 sont nécessaires, l'étanchéifi- cation du vase de Dewar 7 doit être effectuée après avoir évacué l'air intérieur. A ce stade d'étanchéifica- tion, l'évacuation de l'air s'effectue en procédant à un chauffage pendant plusieurs dizaines d'heures de façon i maintenir l'intérieur du vase de Dewar 7 sous vide pen- dant une longue période. Etant donné que l'étanchéification demande beau- coup de temps, il est généralement souhaité d'effectuer l'étanchéification après avoir procédé à l'évaluation et à la sélection de l'élément de détection de rayons in- frarouges 1 en vue de la possibilité de fabrication en série. Dans l'art antérieur, le détecteur de rayons in- frarouges 13 de ce type de construction, compte tenu du fait que les conductivités thermiques i la fois de l'ad- hésif 6 et de-la plaque de support 5 sont faibles et que leurs capacitances thermiques sont importantes, la durée de refroidissement est désavantageusement longue, à sa- voir de plusieurs dizaines de secondes i plusieurs minu- tes. 261 1404 De plus, étant donné qu'il faut fixer l'élément de détection de rayons infrarouges 1 sur le vase de De- war au moyen de l'adhésif 6 et relier son fil directe- ment sur l'électrode 3 afin de procéder à une évaluation des caractéristiques de l'élément de détection de rayons infrarouges 1, il s'avérait impossible de conduire l'é- valuation et la sélection de l'élément de détection de rayons infrarouges 1 avant l'étanchéification du vase de Dewar 7. Ceci entrainait une médiocre capacité de fabri- cation en série. Le brevet japonais mis à l'inspection publique n 57-73637 décrit un autre type de détecteur de rayons infrarouges de l'art antérieur. Dans ce détecteur de rayons infrarouges, une plaque d'embase, sur laquelle est monté un élément de détection de rayons infrarouges, est prévue de façon amovible et l'on peut ainsi fixer provisoirement un élément de détection de rayons infra- rouges sur un vase de Dewar. Un autre type de détecteur de rayons infrarouges de l'art antérieur est décrit dans le brevet japonais mis à l'inspection publique n 57-62569. Dans ce détec- teur. un élément de détection de rayons infrarouges est fixé sur une plaque de support comportant une électrode à broche et il est ainsi possible de fixer provisoire- ment un élément de détection de rayons infrarouges sur un vase de Dewar. Un autre type de détecteur de rayons infrarouges de l'art antérieur est décrit dans le brevet japonais mis à l'inspection publique n 57-24580. Dans ce détec- teur. un élément de détection de rayons infrarouges est obtenu en produisant une couche de cristal Hg1 xCdx Te 1x x sur un substrat CdTe par croissance épitaxiale. Un objet de la présente invention consiste à fournir un détecteur de rayons infrarouges capable de réduire la durée de refroidissement et d'augmenter les possibilités de production en série. D'autres objets et avantages de la présente invention découleront de la description détaillée ci- après; il demeure entendu toutefois que la description détaillée *t le mode de réalisation spécifique ne sont donnés qu'à titre d'illustration, étant donné que dif- férentes variantes et modifications i l'intérieur de l'esprit et de la portée de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art A partir de cette description détail- lée. Selon la présente invention. on obtient plu- sieurs éléments de détection de rayons infrarouges a partir d'une tranche ou pastille qui est produite par la croissance d'une couche A semiconducteur sensible aux rayons infrarouges sur un substrat à résistance élevée. un élément de détection de rayons infrarouges est fixé mécaniquement sur une plaquette de montage métallique comportant des bornes de fil entrée/sortie. la plaquette de montage métallique est fixée mécaniquement sur un récipient sous vide adiabatique pour le refroidissement de l'élément de détection de rayons infrarouges, et l'élément de détection de rayons infrarouges et la pla- quette de montage métallique, et la plaquette montage métallique et le récipient sous vide adiabatique sont respectivement collés l'un sur l'autre par soudage. Ceci permet de réduire la durée de refroidissement et d'amé- liorer les capacités de fabrication en série. - -les figures 1 et 2 sont respectivement une vue en perspective et une vue latérale montrant un élé- ment de détection de rayons infrarouges comme mode de réalisation de la présente invention; - la figure 3 est une vue en perspective mon- trant un élément de détection de rayons infrarouges fixé sur une plaquette de montage métallique du mode de réa- lisation mentionné ci-dessus; 2 6 1 1 4 0 4 - la figure 4 est une vue en perspective mon- trant un état o l'élément de détection de rayons infra- rouges fixé sur la plaquette de montage métallique de la figure 3 est provisoirement fixé sur un vase de Dewar d'évaluation; - la figure 5 est une vue en perspective mon- trant un état o l'élément de détection de rayons infra- rouges fixé sur la plaquette de montage métallique de la figure 3 est fixé sur le vase de Dewar du produit fi- nal - les figures 6 et 7 sont respectivement une vue en perspective et une vue latérale montrant un élé- ment de détection de rayons infrarouges de l'art anté- rieur; et - la figure 8 est un schéma montrant une struc- ture d'un détecteur de rayons infrarouges de l'art anté- rieur. Un mode de réalisation de la présente invention va être décrit en référence aux figures 1 i 5. Dans ces figures, les mêmes références numéri- ques désignent les mêmes éléments que ceux indiqués à la figure 6. La référence numérique 14 désigne un substrat de résistance élevée tel que du tellurure de cadmium, la référence numérique 2a désigne un cristal HgCdTe qui a poussé épitaxialement sur le substrat 14. La référence numérique 15 désigne un élément de détection de rayons infrarouges comprenant le substrat 14 et le cristal - HgCdTe 2a. La référence numérique 16 désigne une pla- quette de montage métallique comprenant par exemple un alliage cuivre/tungstène (désigné ci-après 'Cu-W') ou un alliage de série fernico. La référence numérique 17 dé- signe un trou pour la fixation provisoire de celui-ci sur une portion de montage d'un vase de Dewar, présen- tant une ouverture au niveau de la plaquette de montage métallique 16. La référence numérique 18 désigne un bloc 261 1 4 0 4 en céramique prévu sur la plaquette de montage métalli- que 16, et la référence numérique 19 désigne les bornes des fils d'entrée et de sortie consistant en du cuivre respectivement prévues sur les blocs de céramique 18. La référence numérique 20 désigne-un ciblage pour relier électriquement l'électrode 3 et la borne de conducteur 19. La référence numérique 23 désigne une paroi inté- rieure d'un vase de Dewar d'évaluation (dont la vue com- plète n'est pas représentée). La référence numérique 22 désigne une vis pour la fixation de la plaquette de mon- tage métallique 16 sur le vase de Dewar d'évaluation. La référence numérique 21 désigne un soudage pour la liai- son du conducteur 24 du vase de Dewar d'évaluation 23 sur la borne du conducteur 19. La référence numérique 25 désigne une paroi intérieure du vase de Dewar 7 du pro- duit fini. On va maintenant décrire le procédé de construc- tion du détecteur de rayons infrarouges de ce mode de réalisation. On produit d'abord un cristal HgCdTe 2a sur un substrat i résistance élevée 14 par croissance épita- xiale jusqu'i une épaisseur prédéterminée, de façon i obtenir une tranche ou pastille. Ensuite, on produit plusieurs éléments de détection de rayons infrarouges sur la pastille par un procédé usuel tel que la photoli- thographie ou la métallisation sous vide. Aprés quoi. on divise la pastille en plusieurs puces à l'aide d'une scie i découper les puces ou gâchettes. et on obtient une pluralité d'éléments de détection de rayons infra- rouges, chaque élément muni des électrodes 3 et de la surface recevant la lumière 4, de façon similaire aux dispositifs de l'art antérieur. Ensuite. un élément de détection de rayons in- frarouges 15 produit de cette manière est soudé sur une plaquette de montage métallique 16, après quoi il est provisoirement fixé sur la surface de dessus de la paroi intérieure 23 du vase de Dewar d'évaluation réalisée par exemple en alliage de série fernico 9, en réalisant le côté de la plaquette de montage métallique 16 sur le co- té de l'alliage 9 en utilisant la vis 22. Le conducteur 24 du vase de Dewar d'évaluation 23 et la borne de con- ducteur entrée/sortie 19 sont reliés entre eux par un soudage 21. Après avoir évalué l'élément de détection de rayons infrarouges 15 qui est provisoirement monté sur le vase de Dewar 23 d'évaluation, on détache l'élément de détection de rayons infrarouges 15 du vase de Dewar d'évaluation 23. et on le soude sur la surface de dessus de la paroi intérieure 25 du vase de Dewar 7 du produit fini. Après quoi, on relie entre eux le conducteur 11 du vase de Dewar de produit fini 16 et la borne de conduc- teur entrée/sortie 19 par brasage ou un procédé de sou- dure par point. Après quoi, d'une manière similaire aux dispositifs de l'art antérieur, on évacue l'air inté- rieur du vase de Dewar 7 jusqu'à l'obtention d'un vide et le détecteur de rayons infrarouges est terminé. Dans le détecteur de rayons infrarouges de ce mode de réalisation, l'épaisseur du cristal HgCdTe est d'environ 10 pm, de façon similaire aux dispositifs de l'art antérieur, et les épaisseurs du substrat 14 et de la plaquette de montage métallique 16 sont toutes deux dans un domaine de 100 à 1000 pm. De façon plus précise, on préfère que le substrat 14 et la plaquette de montage métallique 16 soient- minces en vue de la durée de re- froidissement dans la mesure o aucun problème ne surgit à l'égard de l'intensité, et l'épaisseur préférée est d'environ 300 pm. De plus, un placage or ou une métallisation or sous vide peut être exécuté sur la surface de la pla- quette de montage métallique 16 et sur la surface du substrat 14 sur laquelle doit être effectué le brasage afin d'améliorer l'humidité de la brasure. 2 6 1 1 4 04 On utilise une matière de brasure i bas point de fusion telle qu'un alliage de série indium ou un alliage de série bismuth, et le brasage est effectué i une tem- pérature inférieure A 150'C. La raison pour ceci est que le cristal HgCdTe 2a-présente une résistance i la cha- leur moindre. L'alliage de série fernico ou Cu-W 9 qui présen- te un coefficient de dilatation thermique proche du- cristal HgCdTe est utilisé pour la plaquette de montage métallique 16 afin d'empêcher la destruction du cristal HgCdTe 2a ou la détérioration des caractéristiques de celui-ci, susceptible de se produire au refroidissement lorsqu'il existe un écart important entre leurs coeffi- cients de dilatation thermiques. Le détecteur de rayons infrarouges 13 construit tel quel peut être utilisé d'une manière similaire aux dispositifs de l'art antérieur et les éléments consti- tuants respectifs sont collés l'un sur l'autre par une matière de brasure possédant une conductivité thermique importante, sans utiliser de matériau isolant tel qu'un adhésif ou une plaque de support dont l'inconvénient est de limiter la vitesse de refroidissement. Ceci permet d'accomplir un temps de refroidissement de quelques se- condes. Dans le détecteur de rayons infrarouges de la présente invention, étant donné que l'élément de détec- tion de rayons infrarouges 15 est supporté par une pla- quette de montage métallique 16, l'évaluation et la sé- ]ection peuvent être facilement réalisées. En fait, l'élément de détection de rayons infrarouges 15 est bra- sé sur la plaquette de montage métallique 16, on réalise un câblage comme cela est montré A la figure 3, après quoi l'élément 15 est fixé provisoirement sur un vase de Dewar d'évaluation à l'aide d'une vis en se servant du trou 17, et l'air intérieur du vase de Dewar d'évalua- tion est évacué jusqu'à l'obtention d'un vide au moyen 2 6 1 1 4 0 4 d'une pompe à vide. Après avoir effectué l'évaluation et la sélection decette manière, l'élément de détection de rayons infrarouges 15 est prélevé du vase de Dewar d'é- valuation, et seuls ceux présentant de bonnes caracté- ristiques sont brasés sur le vase de Dewar 7 de produit final pour obtenir un détecteur de rayons infrarouges. Ceci améliore l'efficacité de fonctionnement ainsi que les capacités de production en série. Dans le mode de réalisation illustré ci-dessus, on utilise un cristal HgCdTe 2a en tant que semi-conduc- teur sensible aux rayons infrarouges, toutefois la pré- sente invention peut également s'appliquer à un disposi- tif utilisant d'autres semi-conducteurs, par exemple l'InSb. Comme il ressort de la description ci-dessus, conformément i la présente invention, on obtient une pluralité d'éléments de détection de rayons infrarouges à partir d'une tranche ou pastille qui est produite par la croissance d'une couche i semi-conducteur sensible aux rayons infrarouges sur un substrat i résistance éle- vée. un élément de détection de rayons infrarouges est fixé mécaniquement sur une plaquette de montage métalli- que comportant des bornes de conducteur entrée/sortie, la plaquette de montage métallique est fixée mécanique- ment sur un récipient sous vide adiabatique destiné à loger l'élément de détection de rayons infrarouges et à refroidir celui-ci, et l'élément de détection de rayons infrarouges et le sous-ensemble métallique, et-la pla- quette de montage métallique et le récipient sous vide adiabatique sont respectivement collés l'un sur l'autre par brasage. Ceci permet de réduire la durée de refroi- dissement et d'améliorer les capacités de production en série. REVENDICATIONS 1. Détecteur (13) de rayons infrarouges caracté- risé en ce qu'il comprend: - un élément de détection (15) de rayons infra- rouges fabriqué dans une plastille qui est produite par croissance d'un semi-conducteur sensible aux rayons in- frarouges sur un substrat (14) i résistance élevée; - une plaquette de montage métallique (16) mu- nie de deux bornes de conducteur isolées entre elles, plaquette de montage (16) sur laquelle est fixé mécani- quement l'élément de détection (15) de rayons infrarou- ges; - un récipient (7) pour vide adiabatique apte à loger et à refroidir l'élément de détection de rayons infrarouges, récipient (7) sur lequel est fixé mécani- quement la plaquette de montage (16) métallique; et en ce que l'élément de détection (15) de rayons infrarouges et la plaquette de montage (16) métallique, la plaquette de montage (16) métallique et le récipient (7) pour vide adiabatique sont respectivement collés l'un sur l'autre par brasage. 2. Détecteur (13) de rayons infrarouges tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette de montage (16) métallique comprend un alliage cuivre/tungstène. 3. Détecteur (13) de rayons infrarouges tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que les bornes de conducteurs sont respectivement raccordées à la plaquette de montage (16) métallique par l'intermé- diaire de matière en céramique. 4. Détecteur (13) de rayons infrarouges tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette de montage (16) métallique est munie d'un trou (17) pour la fixation provisoire de la plaquette de mon- tage (16) sur un récipient sous vide adiabatique (7) pour l'évaluation de l'élément de détection de rayons infrarouges (15). 5. Détecteur (13) de rayons infrarouges tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que le brasage est un brasage à bas point de fusion.