Brevet FR2690565A1 — publié le 19931029

La présente invention concerne des dispositifs à couplage de charge. Plus particulièrement, bien que de façon non exclusive., elle concerne leur application à un détecteur multimode monté à bord d'un avion. Les progrès de la technologie des semi-conducteurs ont considérablement fait progresser la possibilité de détecter des rayonnements dans la gamme des longueurs d'ondes infrarouges. Le mécanisme de détection est basé sur le phénomène de l'interaction de l'énergie des photons incidents provenant de la scène observée, avec la structure électronique d'un matériau semi-conducteur. Ce processus libère des électrons qui se déplacent librement sous l'influence d'un champ extérieur. La mesure du courant résultant donne une indication directe de la valeur du rayonnement incident. Jusqu'à ces derniers temps, les détecteurs ont été produits sous forme de simples éléments pouvant & tre placés au point focal d'un système optique, et dont les dimensions étaient généralement de l'ordre de 1mm2. Toutefois, on a développé des procédés de fabrication pour produire des circuits intégrés sur des plaquettes de silicium et on peut adopter pratiquement les mimes techniques pour produire des détecteurs multiéléments disposés en rangées rectilignes ou sous forme de matrices. I1 est très difficile de produire des dispositions en rangées avec un grand nombre d'éléments et avec le circuit associé pour adresser chaque détecteur élémentaire ; la lecture du signal reçu peut en outre etre complexe. Les récents développements des dispositifs à couplage de charge simplifient considérablement la technologie considérée et on peut faire fonctionner ces dispositifs d'un certain nombre de façons, simplement en adoptant des techniques de traitement des signaux différentes. Si on produit un détecteur bidimensionnel ayant des éléments de résolution suffisants, on peut alors former une image de la scène observée. Pour obtenir des images de qualité acceptable, les éléments de détection individuels constituant ltensemble de rangées doivent betre capables de fournir des contrastes adéquats en réponse aux variations de la scène. En d'autres termes, le rendement quantique de transformation des photons incidents en électrons conducteurs doit etre élevé. Dans la technologie des dispositifs à couplage de charge, on emmagasine l'image sous forme de paquets de charge formés dans des puits de potentiel dans un substrat semi-conducteur. Au dos du détecteur se trouvent des contacts métalliques conducteurs séparés du substrat par une mince couche isolante, d'une épaisseur approximative de 20 angströms. L'image est extraite du- détecteur en appliquant une variation de tension séquentielle aux contacts, ce qui déplace latéralement les paquets de charge emmagasinés, à travers le substrat jusque dans une mémoire tampon dont l'image peut titre obtenue sous forme d'un signal vidéo, ligne par ligne. Cette technique élimine la nécessité d'utiliser des rangées de diodes à polarisation inverse et de balayer l'image au moyen de faisceaux d'électrons. En conséquence, la sortie du détecteur est constituée par un courant d'impulsions d'amplitude variable, le nombre total par image correspondant au nombre des éléments de résolution du détecteur. Du fait qu'on utilise une seule porte de sortie sérielle, on peut traiter le train d'impulsions d'un certain nombre de façons. Par exemple, on peut combiner des impulsions successives, certaines impulsions peuvent betre extraites, 11 emmagasinage et le décalage des impulsions soDt-possibles, et ainsi de suite. Cette possibilité permet d'utiliser le détecteur pour des opérations autres qu'une simple visualisation, ce qui augmente notamment la portée de l'ensemble décrit par exemple dans la demande de brevet anglais nO 46 052/73. Ainsi, en utilisant un ensemble de détection à matrice bidimensionnelle contenant un grand nombre d'éléments de résolution utilisant la technologie du couplage de charge, il est possible d'obtenir une unité pouvant betre utilisée en mode multiple, les rôles de recherche, de poursuite, de représentation d'image et de mesure de la distance étant obtenus avec une seule unité. I1 est souhaitable de faire fonctionner le détecteur à matrice à la fois à i micron et entre 3 et 5 microns. La technologie actuelle du couplage de charge utilise le silicium, qui est sensible à des longueurs d'ondes allant jusqu'à environ 1 micron. I1 est ainsi nécessaire d'étendre la réponse du détecteur à couplage de charge, soit en modifiant la réponse du silicium, soit en utilisant un matériau approprié pour un détecteur à couplage de charge, par exemple InSb, qui est sensible à 1 micron et entre 3 et 5 microns. Dans le dernier cas, le problème est de trouver un matériau approprié pour la couche isolante. C'est en conséquence un but de la présente invention d'améliorer encore la souplesse d'un détecteur à couplage de charge. Selon l'invention, un détecteur à couplage de charge comprenant au moins deux séries d'électrodes appliquées sur une couche de surface isolante portée par un substrat semiconducteur, est caractérisé en ce que, sur l'autre surface du substrat qui reçoit le rayonnement incident à détecter, des zones de cette autre surface en regard des électrodes d'une série sont traitées avec un produit additionnel pour former une hétérojonction afin de modifier la bande de longueurs d'ondes de réponse de ces zones particulières. Il peut être nécessaire de polariser la jonction. Par ailleurs, il est possible d'utiliser des matériaux fortement dopés pour procurer une jonction étroite lorsque surviennent les effets tunnel. Ainsi, le dispositif peut etre constitué de façon que la visualisation puisse s'effectuer dans deux bandes de longueurs d'ondes séparées. Ceci peut donner des images de grande qualité de la scène observé de nuit, dans les bandes du spectre visible lointain ou de l'infrarouge moyen, tandis que, de jour, la disposition du. mode de fonctionnement du détecteur permet de rendre effective la suppression de la double bande de longueurs d'ondes pour le rejet du rayonnement de fond ou incident. L'invention sera bien comprise dans la description donnée ci-après, avec référence au dessin joint, sur lequel La figure 1 représente une disposition connue d'un dispositif à couplage de charge. La figure 2 représente une disposition d'une matrice de détecteurs. La figure 3 est un dispositif à couplage de charge selon la présente invention. La figure 4 représente schématiquement une disposition de traitement des données pour un dispositif de reproduction à état solide, et, La figure 5 représente schématiquement une disposition d'un détecteur à matrice fonctionnant en mode multiple. La figure 1 représente une disposition connue d'un dispositif à couplage de charge. il comporte un substrat 11 de silicium type n, auquel est ajoutée une couche d'oxyde isolante 12. Cette couche est gravée pour former une structure de surface crénelée 13 et une électrode métallique à gradins 14 est déposée sur la crête et dans le creux de chaque créneau par une technique d'évaporation. Une de ces électrodes sur deux est raccordée à un conducteur ss 1 et les autres électrodes sont raccordées à un deuxième conducteur a 2. Lorsqu'un conducteur est polarisé négativement, un puits de potentiel à gradins 15,16 épousant la configuration des électrodes est formé dans le substrat 11 dans la zone de chaque électrode qui lui est raccordée, la profondeur du puits étant fonction de la tension appliquée. Les photons incidents arrivant sur la face inférieure du substrat 11 engendrent des porteurs minoritaires dans le silicium, qui diffusent dans les puits de potentiel adjacents 15,16 et sont emmagasinés. Une application ultérieure de potentiel sur 1' autre conducteur forme d'autres puits de potentiel dans les régions des électrodes intermédiaires qui, s'ils sont assez profonds, font diffuser latéralement les charges emmagasinées jusqu'à ces autres puits, Une réduction simultanée de tension sur le premier conducteur enlève la première série de puits, achevant ainsi un cycle dans le processus de transfert. Les cycles de tension ultérieurs provoquent d'autres transferts latéraux identiques de charge jusqu'à ce-que la porte de sortie soit atteinte, les charges emmagasinées étant extraites sous forme l'un signal vidéo. En conséquence, le dispositif fonctionne plutôt comme un registre à décalage, sauf que les impulsions sont d'amplitude variable, chacune étant une valeur analogique de la quantité de lumière qui est tombée sur la région où elle a été initialement créée. La figure 2 montre que, en raccordant une série de tels détecteurs à couplage de charge/registres à décalage 17, cote à côte et de façon consigne, on constitue une matrice de détecteurs 18, La sortie de l'ensemble est amenée dans un autre registre à décalage 19 de réalisation similaire, disposé orthogonalement en travers des extrémités des registres 17 placés cote à côte, et 11 image emmagasinée peut être lue, par exemple en 20, ligne par ligne. Une mémoire tampon intermédiaire 15' est habituellement nécessaire pour assumer un tramage correct pour la reproduction optique. La figure 3 représente un dispositif à couplage de charge selon la présente invention. Du fait que les techniques de fabrication utilisant le silicium sont bien développées, il est souhaitable de maintenir son utilisation, mais il est possible de modifier les caractéristiques de réponse en bandes de longueurs 11 ondes en ajoutant des couches additionnelles d'autres matériaux sur la face éclairée du détecteur. En conséquence, pour la détection de cibles aériennes, par exemple, la bande de longueurs d'ondes opérationnelle doit être autour de 4,2 microns, au centre du spectre d'émission de la gerbe d'échappement. On peut atteindre ce but en utilisant une couche passivante d'antimoniure d'indium, InSb. En se reportant à la figure 3, la face inférieure du substrat de silicium 31 a des zones diffusées 32 d'antimoniure d' in- dium en regard des parties en gradins les plus profondes des éléments de résolution alternés raccordés au conducteur p( 2. Un masque métallique 33 est ajouté en regard des parties en gradins les moins profondes des deux séries d'électrodes pour isoler les fenê- tres, à la fois celles traitées à l'antimoniure d'indium et celles qui ne sont pas traitées, qui sont ouvertes au rayonnement incident. Par ailleurs, la structure est la meme que dans la figure 1. On peut voir que, si des puits de potentiel sont formés sous les électrodes ss 1, les fenêtres du substrat de silicium non traitées sont ouvertes au rayonnement incident et de ce fait le dispositif est sensible au rayonnement jusqu'à 7 micron, c'est-àdire qu'on a la courbe normale de réponse du silicium. Les fenêtres adjacentes 32 revêtues d'antimoniure d'indium ne sont pas excitées, ce qui fait qu'aucun puits de potentiel n'y est formé. Après exposition au rayonnement incident, la charge emmagasinée dans les puits de potentiel peut être décaléele long des rangées, et l'image ultérieurement extraite. Si en variante, des puits de potentiel sont formés derrière les fenêtres revêtues d'antimoniure d'indium, c'est-à-dire en permutant les tensions sur les électrodes ss 1, pu 2, le dispositif devient alors sensible au rayonnement dans la bande des 4 microns. Des porteurs minoritaires sont formés dans 1'anti- moniure d'indium, et dérivent dans les puits de potentiel formés dans le substrat de silicium. Ici encore, on peut extraire l'image emmagasinée. En conséquence avec cette forme de réalisation, on peut faire fonctionner le dispositif à volonté, simplement par une commutation appropriée de l'alimentation en tension, dans l'une ou l'autre des deux bandes de longueurs d'ondes. Si on le désire, on peut visualiser pour l'observateur, soit une image dans 1' infrarouge proche, soit une image dans 1' in- frarouge moyen. En variante, du fait que le détecteur au silicium n'est sensible qu'au rayonnement ambiant, et non pas au signal de la cible, et que le détecteur à l'antimoniure d'indium est sensible aux deux, il est possible de différencier des images successives dans les deux bandes de longueurs d'ondes pour assurer la suppression du double canal, augmentant ainsi le rapport signal sur fond dans l'un ou l'autre des deux modes de fonctionnement, soit visualisation, soit recherche. Il suffit de retarder l'image provenant d'un balayage d'un intervalle de trame et de comparer les tensions de signal, un élément de résolution à la fois, dans un circuit de différenciation. Ceci est analogue à la technique des radars;.a indicateur de but mobile. Pour mettre en oeuvre cette forme de fonctionnement en deux gammes d'ondes, il est nécessaire de ne déposer l'antimoniure d'indium que sur la section visualisation de la matrice du détecteur. Il est souhaitable de refroidir le détecteur afin de réduire au minium le rayonnement du fond et d'augmenter la plage dynamique du détecteur. La figure 4 représente une disposition de traitement schématique. Les dispositifs actuels à couplage de charge fonctionnent à des fréquences de 17 mégahertz, qui sont très supérieures à celles nécessitées pour le fonctionnement multimode nécessaire ici. Les rangées de détecteurs d'images 40 sont associées à une matrice de mémoire tampon 41 dont la porte de sortie 42 distribue le signal vidéo aux canaux de recherche, poursuite, visualisation ou mesure de distance de l'unité de traitement 43, sous contr8le d'une horloge 46. Le processeur 43 envoie les signaux emmagasinés à un processeur de visualisation 44 et à une unité de visualisation 45 indépendamment du mode opératoire. La seule modification exigée est celle nécessaire pour le fonctionnement en deux bandes de longueurs d'ondes, lorsque les tensions électriques appliquées aux rangées de détecteurs sont commutées, comme il a été décrit cidessus. Pour le fonctionnement multimode, le processeur fonctionnera de préférence sur une base pré-programmée sélectionnable, les opérations de base étant constituées par les fonctions de calcul usuelles telles qu'étalonnage de la sortie, décalage, retard et addition, obtenues par l'utilisation de portes logiques et d'inverseurs actionnés sous le contrôle du générateur d'impulsions d'horloge 46. Les figures 5a, 5b donnent une indication du fonctionnement du détecteur à matrice en multimode, qui peut être mieux compris en se reportant à la demande de brevet précitée décrivant l'utilisation d'un tel détecteur en liaison avec les têtes optiques de balayage. Les figures 5a, 5b montrent qu'une rangée rectiligne de la matrice 40 peut être utilisée pour les sections de recherche 50 dans le ciel ou sur terre, en balayage, soit simple, soit multimode. Lorsqu'une cible 51 a été détectée, on peut effectuer une poursuite continue par une forme donnée de configuration de détecteurs de quadrant comme il est indiqué sur les figures 5c et Sd. La poursuite de la cible continue jusqu'à ce que l'avion portant le détecteur 52 soit suffisamment près pour que les techniques de visualisation soient applicables, comme il est indiqué sur les figures 5e et Sf. En utilisant des optiques de grande distance focale, il est possible de visualiser la cible à grande distance, pourvu que- l1axe optique du détecteur soit aligné avec la ligne de visée sur la cible. Lorsque la cible stest suffisamment rapprochée pour être en contact visuel avec l'oeil humain, on peut utiliser un rayon laser 53 pour mesurer de façon précise la distance-de la cible. Dans les unités existantes, on utilise dans ce but un simple détecteur séparé. Cependant, avec le présent détecteur à matrice, il est possible d'utiliser des signaux reçus dans les éléments centraux 54 de la rangée 40 comme canal de mesure de distance laser comme il est indiqué sur les figures 5g et 5h. Du fait que la fréquence de répétition des impulsions d'un laser est généralement limitée à quelque chose comme dix impulsions par seconde, ce processus de mesure de distance peut être multiplexé avec les modes de visualisation et de poursuite, si on le désire. REVENDICATIONS 1. - Ensemble de détecteurs à couplage de charge, comprenant au moins deux séries d'électrodes appliquées sur une couche de surface isolante portée par un substrat semi-conducteur, caractérisé en ce que, sur l'autre surface du substrat qui reçoit le rayonnement incident à détecter, des zones de cette autre surface en regard des-électrodes d'une série, sont traitées avec un matériau passivant pour former une hétérojonction afin de modifier la bande de longueurs d'ondes de réponse de ces zones particulières. 2. - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de surface isolante est crénelée pour procurer différents niveaux de surface, en ce que des électrodes individuelles y sont appliquées de façon à s'étendre en travers de deux parties adjacentes à niveaux différents de cette surface et vers le bas du cté du gradin ou du créneau intermédiaire, et en ce que le matériau passivant est appliqué dans ces zones de l'autre surface du substrat qui sont en regard des parties des électrodes d'une série qui sont toutes à un premier niveau. 3. - Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones de matériau passivant sont en regard des parties d'électrodes d'une série d'électrodes qui sont au niveau inférieur. 4. - Détecteur selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que toutes les électrodes sont en une seule rangée, en ce que des électrodes alternées (une électrode sur deux), sont raccordées à un premier conducteur électrique commun et présentent toutes des zones passivantes en regard de leurs portions qui se trouvent à un premier niveau, en ce que les électrodes intermédiaires, raccordées à un deuxième conducteur électrique commun n'ont pas de zones passivantes en regard d'elles, et en ce que toutes les électrodes raccordées aux deux conducteurs ont un masque métallique en regard de leurs parties situées au deuxième niveau. 5. - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau passivant est de l'antimoniure d'indium. 6. - Matrice de détecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte une multiplicité de rangées selon la revendication 4 ou la revendication 5, disposées côte à cote en rangées parallèles. 7. - Matrice de détecteur selon la revendication 6, en combinaison avec des moyens pour commuter les tensions appliquées aux deux conducteurs pour obtenir le fonctionnement à volonté dans l'une ou l'autre des deux bandes de longueurs d'ondes. 8. - Combinaison selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour obtenir la différence de signaux de la matrice représentant des images successives dans les deux gammes d'ondes, pour assurer la suppression du double canal.