Brevet FR2808925A1 — publié le 20011116

DETECTEUR OPTIQUE BI-SPECTRAL L'invention concerne un détecteur optique bi-fonctionnel permettant de détecter deux longueurs d'ondes et cela tout en éliminant le bruit de fond. L'objet de la présente invention est de décrire l'architecture permettant de combiner deux fonctionnalités spécifiques et déjà démontrées des détecteurs à puits quantiques: la possibilité de réaliser des dispositifs bispectraux (brevet français n 2 756 667) et la possibilité de réaliser des détecteurs intégrant dans la couche active la fonction de soustraction de la composante continue c'est-à-dire le courant d'obscurité d'origine thermique io et le courant optique de scène (brevet français n 2 756 666). Chacune de ces deux fonctions nécessite un double empilement de puits quantiques et une connectique à 3 étages. L'invention permet de conserver ce nombre d'empilements et d'étages de connectiques, tout en permettant la lecture en mode soustractif et selon trois gabarits spectraux: X1, X2 et Xk + X2. L'invention concerne donc un détecteur optique bi-fonctionnel comportant: - un premier élément détecteur actif à photoconducteur capable de détecter une première gamme et une deuxième gammes de longueurs d'ondes, et auquel est associé un premier réseau de diffraction permettant de coupler, dans ce premier élément détecteur, la lumière de la première gamme de longueurs d'ondes pour permettre au premier élément détecteur actif à photoconducteur de détecter la lumière de la première gamme de longueurs; - un deuxième élément détecteur actif à photoconducteur capable de détecter une première gamme et une deuxième gamme de longueurs d'ondes, et auquel est associé un deuxième réseau de diffraction permettant de coupler, dans ce deuxième élément détecteur, la lumière de la deuxième gamme de longueurs d'ondes, pour permettre au deuxième élément détecteur actif à photoconducteur de détecter la lumière de la deuxième gamme de longueurs d'ondes. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation de tels détecteurs. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des figures annexées: 5. la figure 1, une structure de puits quantique permettant de détecter deux gammes de longueurs d'ondes; la figure 2, le gabarit spectral de la structure à puits quantique de la figure 1; * la figure 3, un exemple de structure d'un détecteur selon l'invention; la figure 4, I'absorption et la réponse induite par les réseaux de la structure de la figure 3; la figure 5, une vue de dessus de la structure de la figure 3; la figure 6, une matrice de détecteurs selon l'invention; * la figure 7, un tableau de modes de fonctionnement. L'architecture proposée est identique à celle d'un composant soustractif tel que décrit dans le brevet français n 2 756 666, mais ici, chacune des deux couches actives est constituée d'une alternance de deux motifs de puits quantiques (figure 1), dessinés pour l'absorption et la détection à deux longueurs d'ondes;l et X2 avec deux gabarits spectraux AX1 et AX2. Le gabarit spectral résultant est la somme des deux gabarits spectraux AX1 et A.2 (figure 2). La réalisation d'une telle structure de détection à puits quantiques a été publiée par S. Bandara et al., APL 72, p.2427 (1998). La réponse spectrale d'un détecteur à puits quantiques est la convolution de l'absorption spectrale du détecteur et de l'efficacité spectrale induite par la résonance géométrique du réseau de diffraction utilisé pour le couplage optique du rayonnement incident. Ainsi, un réseau de diffraction résonant autour de X1 (respectivement X2) couplé à la structure quantique décrite précédemment induira une réponse centrée autour de Xl (respectivement 12) (figure 4). Le principe de l'invention est de séparer le pixel principal de taille a xa en deux sous-pixels de taille a xa/2, chacun de ces sous-pixels étant une structure soustractive classique, mais comportant deux réseaux de couplage différents (figures 3 et 5). La polarisation de l'étage inférieur Vref commune à l'ensemble des pixels de la matrice reste commune aux deux types de sous-pixels. Par contre, la polarisation de l'étage supérieur qui est également commune à l'ensemble des pixels de la matrice doit ici être dédoublée, chaque sous- réseau de sous-pixels étant polarisé de manière commune. La connectique de l'étage supérieur est ici assurée par deux lignes de polarisation Vl et V2 par pixel au lieu d'une seule pour un pixel soustractif standard (figure 5). Le dispositif peut alors être utilisé en trois modes soustractifs correspondant aux trois gabarits spectraux AX1, AX2 et AX1 + A,2 différents selon les tensions que l'on applique à chacune des électrodes supérieures (figure 6). Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, un détecteur optique est réalisé sur un substrat transparent à travers lequel la lumière incidente arrive sur le détecteur. Un tel détecteur optique comporte donc, sur le substrat, une structure telle que représentée à la figure 3. Cette structure comporte sur une face du substrat une première couche de contact ohmique 5, cette couche de contact ohmique étant transparente. Sur cette couche de contact ohmique est situé un empilement de couches 2 constituant un empilement de puits quantiques capable de détecter deux gammes de longueurs d'ondes,1 et,2. Sur cet empilement de couches se trouve une deuxième couche de contact ohmique transparente 4. Sur la deuxième couche de contact ohmique se trouvent deux empilements de couches identiques ou quasi-identiques 1, 1' constituant chacun un empilement alterné de puits quantiques capables de détecter des gammes de longueurs d'ondes X1 et X2 et enfin sur chacun de ces empilements de couches se trouvent des réseaux de diffraction 3 et 3' de structures différentes telles que ces réseaux permettent chacun de coupler dans l'empilement de couches (1, 1' sur lequel il est réalisé) soit la lumière à la longueur d'onde,1 soit la lumière à la longueur d'onde X2. Comme représenté en figure 3, I'ensemble est encapsulé dans une couche d'isolant 6 et des moyens de connexion traversent cette couche d'isolant pour atteindre les réseaux de diffraction et réaliser des moyens de connexion Cl et C'1 permettant d'appliquer des tensions +VI et +V2 respectivement aux réseaux de diffraction 3 et 3'. Egalement, au moins un moyen de connexion traverse la couche d'isolant et atteint la deuxième couche de contact ohmique 4 de façon à réaliser le contact commun Cc permettant la lecture du signal de photoconduction. Et enfin un moyen de connexion C2 est réalisé sur la première couche de contact ohmique 5 de façon à pouvoir appliquer à l'ensemble de la structure la tension -Vref. La figure 5 représente en vue du dessus un couple d'éléments détecteurs tel que celui de la figure 3. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, I'empilement de couches de puits quantiques 2 constitue en fait deux détecteurs élémentaires, chacun d'eux étant associé à un élément détecteur 1 ou 1' en vue d'éliminer le bruit de fond tel que cela a été expliqué dans le brevet français n 2 756 666. Les empilements de couches de puits quantiques 1, 1', 2 sont actifs ou photoconducteurs aux mêmes gammes de longueurs d'ondes X1 et X2. Les empilements de couches 1 et 1' sont conçus pour être plus absorbants aux longueurs d'ondes,1 et.2 que l'empilement de couche 2. L'empilement de couche 2 est de préférence conçu pour n'être quasiment pas absorbant. Cela peut être prévu par des épaisseurs différentes des empilements de couches ou par dopage plus important des couches de puits quantiques des empilements les plus absorbants. Le détecteur étant éclairé par un rayonnement incident sur la couche de contact ohmique 5, l'empilement de couche 2 reçoit en premier le rayonnement. Celui-ci traverse donc l'empilement de couche 2 puis les empilements de couches 1 et 1' et ils sont couplés par les réseaux de diffraction 3 et 3', selon la longueur d'onde reçue (X1 et 12) dans les empilements de couches 1 et 1'. Si le réseau de diffraction 3 est prévu pour coupler la lumière à la longueur d'onde X1, la lumière à la longueur d'onde;l sera diffractée vers l'empilement de couche 1 et sera absorbé ou quasiment absorbé par cet empilement de couches. De même, si le réseau de diffraction 3' est prévu pour diffracter la lumière à la longueur d'onde X2, la lumière sera absorbée ou quasiment absorbée par l'empilement de couche 1'. La figure 6 représente une réalisation matricielle d'un détecteur matriciel selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté à titre d'exemple quatre détecteurs optiques tels que décrits précédemment. Chaque détecteur comprend donc deux éléments détecteurs avec chacun son réseau de diffraction. Sur cette figure, on a représenté essentiellement les moyens de connexion permettant de commander de façon matricielle cette matrice de détecteurs. On voit donc sur cette figure 6 que les moyens de connexion C1 sont interconnectés par leur plot P1 vers le potentiel de commande Vi. De même, les moyens de connexion C'1 sont interconnectés par leur plot de connexion P'1 au même potentiel de commande V2. La couche de contact commune à laquelle est connectée un plot P2 est connectée au potentiel de référence Vref. Enfin, dans la partie centrale de chaque détecteur est localisé un moyen de connexion Cc permettant de connecter un moyen de mesure de courant individuel pour chaque détecteur. Sur la figure 6, on a également représenté un circuit de commande CU permettant de délivrer le potentiel de référence Vref et les potentiels de commande Vi et V2. Un circuit de détection DET reçoit du circuit de commande CU, une information vl.2 indiquant le mode de commande délivré par le circuit CU (potentiels Vi et/ou V2). Il reçoit également les signaux de lecture délivrés par chaque pixel sur son moyen de contact commun Cc. La figure 7 donne un tableau de commande des détecteurs ainsi réalisés. Ce tableau symbolise ainsi un moyen de commande des détecteurs. Comme on peut le voir sur cette figure 7, en mode de fonctionnement un potentiel de référence Vref est appliqué aux différents détecteurs. Lorsqu'on applique un potentiel V1 à un détecteur et qu'on n'applique pas de potentiel V2, ce détecteur permet de détecter la longueur d'onde X1. Inversement, si on applique un potentiel V2 mais qu'on n'applique pas un potentiel V1 à un détecteur, celui-ci détecte la longueur d'onde X2. Enfin, si on applique à la fois des potentiels V1 et V2 à un détecteur, il permet de détecter les longueurs d'ondes XI1 et.2. Le mode normal de fonctionnement peut être considéré comme étant le troisième mode et cela pour acquérir le maximum de signal. L'utilisation alternée dans les modes 1 et 2 permet d'ajouter une fonction de thermométrie ou de télémétrie passive. Enfin, en cas d'agression de contre- mesure optique dans une des deux fenêtres spectrales l1 ou X2, on constate que le système peut continuer à fonctionner et à acquérir le signal dans l'autre fenêtre spectrale. On va maintenant décrire un exemple de procédé de réalisation d'un détecteur selon l'invention. Pour simplifier la description, on considérera la réalisation d'un détecteur comprenant deux éléments de détection tels que le détecteur de la figure 3 mais l'application de ce procédé pourrait concerner la réalisation d'une matrice de détecteurs. Ce procédé comporte les étapes suivantes: - Sur un substrat transparent (non représenté sur la figure 3), on réalise une première couche de contact ohmique 5 transparente aux longueurs d'ondes à détecter. - Sur cette couche de contact ohmique, on réalise un empilement de puits quantiques permettant d'être photoconducteur à des gammes de longueurs d'ondes X1 et X2. - On réalise ensuite une deuxième couche de contact ohmique transparente aux longueurs d'ondes à détecter. - Sur cette deuxième couche de contact ohmique on réalise un deuxième empilement de puits quantiques capable d'être 1 5 photoconducteur aux longueurs d'ondes à détecter. - Sur ce deuxième empilement, on réalise deux réseaux de diffraction de caractéristiques différentes. Par exemple, ces deux réseaux permettront de diffracter la lumière vers le deuxième empilement de puits quantiques, chacun pour des longueurs d'ondes I1 et X2 différentes. - Ensuite, par gravure on délimite la géométrie de chaque détecteur. Pour cela, on grave l'ensemble des couches jusqu'à la première couche de contact ohmique 5. On réalise également une saignée entre les deux éléments détecteurs, à la frontière des deux réseaux 3 et 3' de façon à séparer également les empilements de couches 1 et 1' des deux éléments détecteurs. - Sur l'ensemble ainsi obtenu, on dépose une couche d'isolant 6 d'encapsulation. - Enfin, on réalise les moyens de connexion. Pour cela, on réalise les trous suivants: (a) les trous traversant la couche d'isolant jusqu'aux réseaux de diffraction 3 et 3' que l'on métallise pour former les moyens de connexion C1 et C'1; I (b) le trou de connexion commun traversant la couche d'isolant et le deuxième empilement jusqu'à la deuxième couche de contact ohmique pour former le moyen de connexion commun Cc permettant de le signal de lecture; (c) un trou traversant la couche d'isolant et atteignant la première couche de contact ohmique 5 de façon à réaliser le moyen de connexion C2. Il est à noter que dans ce qui précède les réseaux de diffraction 3 et 3' peuvent être métallisés pour l'application des potentiels Vl et V2. Le procédé de l'invention a ainsi permis de réaliser le détecteur de la figure 3. Pour réaliser une matrice de détecteurs, il conviendrait de graver plusieurs détecteurs ainsi conçus sur la première couche de contact ohmique. f REVENDICATIONS 1. Détecteur optique bi-fonctionnel comportant: - un premier élément détecteur actif à photoconducteur (1) capable de détecter une première gamme et une deuxième gamme de longueurs d'onde (X1 et X2), et auquel est associé un premier réseau de diffraction (3) permettant de coupler, dans ce premier élément détecteur, la lumière de la première gamme de longueurs d'ondes (X1) pour permettre au premier élément détecteur actif à photoconducteur de détecter la lumière de la première gamme de longueurs (X1); - un deuxième élément détecteur actif à photoconducteur (1') capable de détecter une première gamme de longueurs d'onde et une deuxième gamme de longueurs d'onde (X1 et X2), et auquel est associé un deuxième réseau de diffraction (3') permettant de coupler, dans ce deuxième élément détecteur, la lumière de la deuxième gamme de longueurs d'onde (X2), pour permettre au deuxième élément détecteur actif à photoconducteur (1') de détecter la lumière de la deuxième gamme de longueurs d'ondes (x2). 2. Détecteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux premiers éléments détecteurs sont réalisés dans une même couche de matériau photoconducteur. 3. Détecteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux premiers éléments détecteurs sont réalisés dans des empilements de couches formant des puits quantiques. 4. Détecteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux éléments détecteurs sont réalisés dans une alternance d'au moins deux types de puits quantiques, chaque type permettant la détection d'une longueur d'onde déterminée X1 ou X2. 5. Détecteur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier élément détecteur est associé à un troisième élément détecteur (2) séparés par une couche de contact commune ou une couche isolante (4); au deuxième élément détecteur étant également associé un quatrième élément détecteur séparé de celui-ci par une couche de contact ou une couche isolante; les quatre éléments détecteurs étant photoconducteurs sous l'effet des mêmes gammes de longueurs d'ondes. 6. Détecteur d'onde optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches de contact communes ou isolantes forment une même couche (4) et en ce que le troisième élément détecteur et le quatrième élément détecteur forment également un même élément détecteur. 7. Détecteur optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les quatre éléments détecteurs permettent de détecter les mêmes gammes de longueurs d'ondes. 8. Détecteur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la réponse de chaque premier et deuxième détecteurs est nettement supérieure à la réponse des troisième et quatrième détecteurs de telle façon qu'ils absorbent préférentiellement l'énergie lumineuse à la gamme de longueur d'onde pour laquelle il est photoconducteur. 9. Détecteur optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction sont en matériau conducteur ou sont revêtus par un matériau conducteur et comportent chacun un premier et un deuxième moyens de contact (C1, C'1) et en ce que le détecteur optique comporte également: - un troisième moyen de contact (Cc) connecté aux faces des différents éléments détecteurs qui sont en contact avec la couche commune (4); - un quatrième moyen de contact (C2) en contact avec les troisième et quatrième éléments détecteurs sur leurs faces opposées à la couche commune; - des moyens pour appliquer des tensions de commande (+V1, +V2, - Vref) auxdits premier, deuxième et quatrième moyens de contact (C1, C'1, C2); - des moyens de mesure de conduction de courant connectés au troisième moyen de contact (Cc) pour mesurer la photoconduction desdits éléments détecteurs. 10. Détecteur optique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande permettant d'appliquer une tension de référence (-Vref) au quatrième moyen de contact (C2) ainsi que: - soit une première tension de commande (+V1l) au premier moyen de contact (C1) pour commander le fonctionnement du premier et du troisième éléments détecteurs; - soit une deuxième tension de commande (+V2) au deuxième moyen de contact (C'1) pour commander le fonctionnement du deuxième et du quatrième éléments détecteurs; - soit les deux tensions (+V1 et +V2) pour commander le fonctionnement de tous les éléments détecteurs. 11. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il o comporte une matrice d'éléments détecteurs, les quatrième moyens de contact (C2) étant communs à tous les éléments détecteurs de façon à pouvoir appliquer la tension (-Vref) à tous les détecteurs de la matrice, tous les premiers moyens de contact (C1) étant connectés entre eux de façon à appliquer sur demande la première tension de commande (V1) à tous les !5 premiers éléments détecteurs de la matrice, tous les deuxièmes moyens de contact (C'1) étant connectés entre eux de façon à pouvoir appliquer sur demande la deuxième tension de commande (+V2) à tous les deuxièmes éléments détecteurs de la matrice. 12. Procédé de réalisation d'un détecteur optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes: - réalisation sur la face d'un substrat transparent d'une couche de contact ohmique (5); - réalisation sur ladite couche de contact ohmique d'un empilement (2) de couches constituant un empilement de puits quantiques alternés permettant la détection de longueurs d'ondes (x1, X2); - réalisation sur cet empilement de couches d'une deuxième couche de contact ohmique (4); - réalisation sur la deuxième couche de contact ohmique d'un empilement de couches constituant un empilement de puits quantiques permettant la détection de longueurs d'ondes (X1, X2); réalisation à la surface du deuxième empilement de couches d'au moins deux réseaux de diffraction (3 et 3') de structures physiques différentes; gravure dans l'ensemble de couches obtenues et jusqu'à atteindre la première couche de contact ohmique (5), d'au moins deux éléments détecteurs, I'un des détecteurs comprenant un réseau de diffraction d'un premier type physique et l'autre élément détecteur comprenant un réseau de diffraction d'un autre type physique; - encapsulation de l'ensemble dans une couche d'isolant (6); - gravure dans la couche d'isolant de trous traversant l'isolant et atteignant les réseaux de diffraction, et métallisation de ces trous de façon à réaliser les premier et deuxième moyens de contact (C1 et C'1); i5 - réalisation d'au moins un trou par couple d'éléments détecteurs, ledit trou atteignant la deuxième couche de contact ohmique (4) et métallisation de ce trou de façon à réaliser le troisième moyen de contact (Cc); - réalisation d'un trou traversant l'isolant et atteignant la première couche de contact ohmique (5) et métallisation de ce trou de façon à réaliser le quatrième moyen de contact (C2).