Brevet FR2820242A1 — publié le 20020802

DETECTEUR INFRAROUGE HYBRIDE L'invention concerne les détecteurs de rayonnement infrarouge dont l'élément de détection est constitué par un substrat plat en matériau semi-conducteur dont une face active présente un réseau matriciel, à une ou deux dimensions, de sites photosensibles réalisés par micro-électronique. Elle concerne plus particulièrement les détecteurs dits "hybrides"ayant un support dont une face porte un circuit de lecture relié aux sites par des micro-billes en matériau conducteur de l'électricité, généralement en indium. On utilise notamment des éléments de détection constitués par : - des composés HgCdTe sur un substrat monocristallin en CdTeZn ou DeTe, - InSb comme substrat et couche sensible, - des composés InTIAsP sur un substrat en InP. Les éléments détecteurs sont généralement fabriqués à partir d'un substrat ayant une épaisseur pouvant dépasser 500 um, de façon à avoir une solidité suffisante bien que les composés constitutifs du substrat aient des propriétés mécaniques médiocres. Cette épaisseur doit être réduite, par exemple à une épaisseur inférieure à 20 um dans le cas d'un détecteur infrarouge utilisant InSb comme substrat, pour réduire l'absorption subie par le rayonnement avant qu'il n'atteigne la face active. Le support est généralement en silicium. Il présente un circuit, réalisé par des techniques de micro-électronique classique, assurant les fonctions de pilotage et de lecture de l'élément de détection. Les éléments de détection n'atteignent leur pleine performance qu'à des températures cryogéniques, voisines de 77 K dans le cas de InSb, un peu plus élevées dans le cas de InSbAs et InGaAs. Par ailleurs, il est souhaitable de réduire le plus possible le temps nécessaire pour rendre un imageur opérationnel, ce qui implique de réduire le plus possible le temps requis pour porter l'élément de détection de la température ambiante, généralement de l'ordre de 20oC, jusqu'à 80 K environ. Les frigories nécessaires au refroidissement sont généralement apportées par une paroi thermiquement conductrice, telle que l'extrémité du doigt froid d'une machine cryogénique, qui porte le support muni du circuit de lecture et l'élément de détection. Un détecteur infrarouge est d'autant plus satisfaisant qu'il remplit simultanément un certain nombre de conditions qui sont dans une certaine mesure contradictoires. Pour permettre une mise en fonctionnement rapide, les éléments interposés entre l'élément de détection et la paroi froide doivent présenter une conductivité thermique élevée et une inertie thermique faible, la puissance thermique d'une machine cryogénique étant limitée ; il faut éviter la mise en tension mécanique au niveau de la liaison entre l'élément de détection et le support, car elle risque de provoquer des micro-fissures de l'élément de détection et/ou la rupture progressive des liaisons par billes d'indium à la suite de contraintes alternées, ainsi que la dégradation des performances par suite d'effets piézo-résistifs ou piézo-électriques. Diverses solutions ont déjà été proposées pour tenter d'écarter certains au moins de ces problèmes. On a notamment proposé de placer un substrat en saphir, c'est-àdire en alumine monocristalline, entre la paroi froide et le support, afin de réduire les différences de coefficient de dilatation thermique au niveau de chaque interface. On a également proposé de réduire à une centaine de um l'épaisseur du substrat (au lieu de laisser l'épaisseur habituelle de plus de 500 um) afin que la participation de ce support au comportement thermomécanique de l'ensemble devienne pratiquement négligeable. Toutes ces approches n'apportent qu'une solution partielle. La réduction d'épaisseur du support après réalisation du circuit de lecture complique la fabrication, augmente le prix et se traduit par des rebuts. La présence d'un substrat en saphir, dont la conductivité est faible aux températures supérieures à 125 K environ et dont la chaleur spécifique est élevée, ralentit la mise en froid de l'élément détecteur. L'invention vise à fournir un détecteur répondant, mieux que ceux antérieurement connus, aux exigences de la pratique, notamment en ce que tout à la fois il réalise un meilleur compromis entre les résultats ci-dessus et de plus permet d'éviter une mise en traction de l'élément de détection mince lors du refroidissement. Dans ce but, l'invention propose notamment un détecteur infrarouge comprenant : une paroi thermiquement conductrice destinées à être portée à température cryogénique, un substrat collé à la paroi par une colle conductrice de la chaleur, - un support de circuit de lecture en silicium, collé au substrat par une colle conductrice de la chaleur, - un élément de détection en composé semi-conducteur portant, sur une face reliée au circuit de lecture par des micro-billes conductrices, les sites photosensibles, caractérisé en ce que le substrat est en AIN ou SiC et d'épaisseur inférieure à 500 um, les épaisseurs relatives du substrat et du support étant choisies pour que le refroidissement du détecteur de la température ambiante à la température cryogénique maintienne ou mette en compression l'élément de détection. Le détecteur étant destiné à fonctionner avec éclairement de l'élément de détection par la face arrière, ce dernier aura une épaisseur ne dépassant pas 20 um. L'épaisseur du support de lecture en silicium sera très supérieure à celle de l'élément de détection (au moins un ordre de grandeur) et généralement comprise entre 500 et 700 um, ce qui lui donne une solidité suffisante pour permettre la fabrication aisée du circuit de lecture par des processus classiques de micro-électronique. Le substrat pourra avoir une épaisseur comprise entre 400 et 500 um, généralement un peu inférieure à celle du support. L'épaisseur totale du détecteur, exception faite de la paroi, ne dépassera généralement pas 1200 um environ et une épaisseur de 1200 um est souvent satisfaisante. L'épaisseur de l'interface entre l'élément de détection et le support, constitué par les micro-billes et une colle non conductrice, sera généralement de l'ordre de 5 um. Cette constitution de détecteur est particulièrement adaptée à l'emploi d'un élément de détection en InSb. Elle conduit à une très légère déformation en coupelle de l'ensemble de l'empilement, dans un sens qui provoque une légère mise en compression de l'élément de détection, insusceptible de provoquer des micro-fissures. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres paraîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1, où l'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté, est un schéma de détecteur suivant un mode de réalisation de l'invention, dont le substrat est en AIN ; ta figure 2 montre une variante. Le détecteur dont la constitution de principe est montrée en figure 1 est utilisable par exemple sur une machine cryogénique du genre décrit dans le document FR-A- 2 752 287 auquel on pourra se reporter. Une telle machine comprend un tube mince 10 dont l'extrémité est fermée par un couvercle constituant une paroi froide 14, généralement en titane. L'ensemble constitué par le détecteur, le couvercle 14 et une fraction au moins du tube 10 est placé dans un cryostat ayant une chemise interne 18 et un hublot 20 en matériau transparent au rayonnement infrarouge à détecter. Le détecteur comprend un empilement porté par la paroi froide 14, généralement coaxiale au hublot 20. L'élément de détection 22 proprement dit est formé par une lame mince qui sera généralement en InSb, bien que d'autres composés semi-conducteurs soient également utilisables. Sur la face de cette lame opposée à celle qui reçoit le rayonnement est ménagée une matrice de sites photosensibles qui peut être à une seule dimension (bande) ou à deux dimensions (réseau rectangulaire). De tels éléments de détection sont bien connus. Pour réduire l'absorption du rayonnement à une valeur acceptable, l'élément détecteur a une épaisseur faible. Etant donné que sa manipulation lors de la formation de la matrice nécessite une solidité suffisante, la lame 22 est amincie après réalisation de la matrice. Cet amincissement peut notamment, mais non exclusivement, être effectué par le procédé décrit dans la demande de brevet français noOO 16 682. Si l'élément de détection est en InSb, on lui donnera en général une épaisseur d'environ 15 um. Le détecteur représenté étant du type dit hybride, l'élément de détection est relié à un circuit de lecture 24 réalisé sur un support en silicium 26 par des micro-billes 28 en indium, enrobées dans une colle isolante, telle qu'une colle époxy. Les sorties du circuit de lecture 24 sont assurées par des conducteurs non représentés, et éventuellement des pistes conductrices. Le support 26 est à son tour fixé sur un substrat 30, qu'on peut qualifier d'amortisseur de contrainte, dont les faces sont collées l'une sur le support 26, l'autre sur la paroi froide 14. Suivant l'invention, le substrat 30 est en nitrure d'aluminium ou en carbure de silicium. Ces matériaux ont l'un et l'autre un coefficient de dilatation proche de celui du silicium qui constitue le support du circuit de lecture ; ce qui n'est le cas ni de l'oxyde de béryllium, ni de l'alumine à l'état de saphir. La chaleur spécifique de AIN et de SiC est plus faible que celle du saphir et nettement plus faible que celle du silicium pour des températures inférieures à 250 K. L'inertie thermique de l'empilement sera en conséquence plus faible que dans le cas de l'utilisation d'une substrat en saphir. La conductivité thermique du carbure de silicium est beaucoup plus élevée que celle du saphir dans tous les cas. Celle du nitrure d'aluminium est beaucoup plus élevée pour tout le domaine de température dépassant 120 K environ. Il a été constaté que le refroidissement à partir de 20 C jusqu'à 80 K se traduit par une très légère mise en compression de l'élément de détection, qui s'établit progressivement, notamment dans le cas d'un détecteur ayant les caractéristiques suivantes : - substrat en AIN ou SiC de 475 um, - support de circuit de lecture en silicium de 625 um, - interface de colle d'hybridation de 5 um, - détecteur en InSb de 15 um. Les valeurs maximales de contrainte dans le joint de colle d'interface d'hybridation et dans l'élément de détection restent toujours inférieures à celles que l'on trouve dans le cas d'un support aminci à 100 um et d'un substrat dont l'épaisseur est, en contrepartie, portée à 1000 um. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Elle est également applicable au cas d'éléments de détection autres qu'en InSb. Les éléments de l'empilement peuvent avoir des dimensions en plan échelonnées, comme indiqué schématiquement sur la figure 2, pour faciliter les liaisons électriques. Eventuellement un diaphragme 32 réduit les flux de lumière parasites atteignant l'élément de détection. Sur la figure 2, des fils de sortie ou de relais 34 sont représentés, entre des pistes prévues sur le circuit de lecture et des plages de raccordement sur les bords, revêtus d'une couche isolante, de la paroi froide 14. REVENDICATIONS 1. Détecteur de rayonnement infrarouge comprenant : une paroi thermiquement conductrice (14) destinée à être portée à température cryogénique, - un substrat (30) collé à la paroi par une colle conductrice de la chaleur, - un support de circuit de lecture (26) en silicium, collé au substrat par une colle conductrice de la chaleur, et - un élément de détection (22) en composé semi-conducteur portant, sur une face reliée au circuit de lecture par des micro-billes conductrices (28), les sites photosensibles, caractérisé en ce que le substrat est en AIN ou SiC et d'épaisseur inférieure à 500 um, les épaisseurs relatives du substrat et du support étant choisies pour que le refroidissement du détecteur de la température ambiante à la température cryogénique maintienne ou mette en compression l'élément de détection. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de détection a une épaisseur ne dépassant pas 20 um et l'épaisseur du support de lecture en silicium est très supérieure à celle de l'élément de détection. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur du support de lecture en silicium est comprise entre 500 et 700 um. 4. Détecteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat est comprise entre 400 et 500 um. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur totale du détecteur, exception faite de la paroi, est de 1200 um 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de détection est en InSb. 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - un substrat en AIN ou SiC de 475 um, - un support de circuit de lecture en silicium de 625 um, - un interface de colle d'hybridation de 5 um, un détecteur en InSb de 15 um.