Brevet FR2942913A1 — publié le 20100910

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des composants semiconducteurs et plus particulièrement celui des capteurs infra-rouges comprenant un ensemble de détecteurs quantiques d'un tel rayonnement et notamment ceux utilisés dans des dispositifs d'observation tels que des jumelles ou caméra infra-rouges. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine de l'imagerie Infra-Rouge (IR) les capteurs IR sont de plus en plus utilisés. Dans de tels dispositifs, un réseau de détecteurs quantiques IR est disposé dans un plan focal. Ces dispositifs sont plus connus sous le nom de détecteurs de réseau plan focal (en anglais, � Focal Plane Arrays �, (FPA)), ci-après ensemble de détecteurs quantiques IR. Un ensemble de détecteurs quantiques IR fonctionne de manière générale à basse température afin de réduire le courant d'obscurité des détecteurs et améliorer leur sensibilité au rayonnement IR ; il convient donc de les refroidir. Ainsi, l'ensemble de détecteurs quantiques IR est refroidi jusqu'à une température cryogénique afin de maintenir un rapport-signal-à-bruit optimal. On a illustré sur la figure 1 un ensemble 100 de détecteurs quantiques IR de type connu. Un tel ensemble 100 comprend un circuit 6 de Silicium sur lequel une 25 couche 2 de matériau photosensible en HgCdTe ou InSb est hybridée via des plots 4 électriques, généralement en Indium. Une colle 5 assure la protection et le maintien mécanique de l'ensemble notamment au cours des étapes d'amincissement du matériau photosensible. En effet, pour obtenir l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR, le matériau photosensible 2 doit être aminci à quelques micromètres pour que le signal IR 1 photogénère des porteurs proches des zones de collection 3. Dans ce type d'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR, les mécanismes de génération de porteurs dans les matériaux photosensibles les composants étant thermiquement dépendants, ils sont à l'origine du bruit temporel et du courant d'obscurité. Ainsi û comme déjà mentionné û l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR est mis à une température cryogénique, celle de la io température de l'azote liquide (c'est-à-dire environ 77 Kelvin), afin de réduire le bruit temporel et le courant d'obscurité et obtenir de bonnes performances. Pour refroidir l'ensemble de détecteurs quantiques IR on utilise un refroidisseur connu sous le nom de micro-refroidisseur ou machine à froid. 15 La figure 2 illustre un capteur IR de type connu comprenant un ensemble 100 de détecteurs quantiques et un refroidisseur 300. Le capteur comprend en outre un coupleur 200 disposé entre l'ensemble 100 de détecteurs quantiques et le refroidisseur 300. Le coupleur 200 comprend un substrat 8 de préférence en matériau 20 isolant et bon dissipateur thermique. Le coupleur 200 permet de coupler thermiquement le refroidisseur 300 et l'ensemble 100 de détecteurs quantiques. Un tel couplage assure un refroidissement de l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR. 25 Un problème est que le refroidisseur 300 est un refroidisseur de Stirling dont une surface 11 de refroidissement peut être soumise à des vibrations sous l'effet de cycles de Stirling. Ces vibrations associées au fait que les matériaux constituant l'ensemble 100 de détecteurs quantiques présentent des propriétés piézo- 30 électriques toute variation de contrainte appliquée sur le matériau photosensible peut générer une modulation du potentiel vu par les détecteurs quantiques, une modulation du courant d'obscurité liée à une variation du taux de génération avec pour conséquence l'augmentation du bruit des détecteurs quantiques de la zone sous contrainte. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet d'améliorer les performances d'un capteur infra-rouge comprenant un ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges refroidi par un refroidisseur de Stirling. L'invention permet en particulier de supprimer les déformations des io matériaux constituant l'ensemble de détecteurs quantiques issues des cycles de pression/détente du refroidisseur de Stirling. Ainsi, selon un premier aspect, l'invention concerne un capteur infra-rouge comprenant : un ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges, destiné à détecter un rayonnement infra-rouge ; un refroidisseur de Stirling 15 dont une surface de refroidissement peut être soumise à des vibrations sous l'effet de cycles de Stirling ; un coupleur disposé entre l'ensemble et le refroidisseur, pour coupler thermiquement l'ensemble et le refroidisseur. Le capteur est caractérisé en ce que le coupleur comprend un évidement pratiqué du côté de l'ensemble et s'étendant au moins en face de 20 la surface de refroidissement du refroidisseur de sorte que le coupleur ne soit pas en contact avec l'ensemble en face de la surface de refroidissement du refroidisseur et que les vibrations auxquelles peut être soumise la surface du refroidisseur ne soient pas transmises à l'ensemble. L'évidement entre le refroidisseur et l'ensemble de détecteurs 25 quantiques infra-rouges permet de supprimer les effets des vibrations issues du refroidisseur tout en conservant un refroidissement suffisant des détecteurs infra-rouges. Les matériaux constituant l'ensemble de détecteurs quantiques ne sont plus déformés par les cycles pression/détente du refroidisseur de Stirling. 30 Les performances sont donc améliorées par rapport au capteur similaire de type connu. Le capteur peut en outre présenter les caractéristiques suivantes : le refroidisseur comprend une direction longitudinale et dans lequel l'évidement est pratiqué selon au moins une direction orthogonale à la direction longitudinale du refroidisseur ; l'évidement est pratiqué selon une rainure comprenant un fond de dimensions supérieures ou égales à la surface de refroidissement du refroidisseur ; le coupleur est connecté à l'ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges selon une pluralité d'éléments de couplage ; io le coupleur comprend un substrat, de préférence en matériau isolant, connecté d'une part avec l'ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges et d'autre part avec le refroidisseur, la connexion étant effectuée par des moyens de collage ; les éléments de couplage comprennent au moins une saignée 15 pratiquée dans chaque élément de couplage, à proximité de l'évidement, de manière à ce que les moyens de collages ne tombent pas dans l'évidement ; l'ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges comprend une couche en matériau photosensible, de préférence HgCdTe ou InSb 20 ayant des propriétés piézoélectriques. Et selon un second aspect, l'invention concerne un dispositif d'observation infra-rouge comprenant un dispositif détecteur d'un rayonnement infra-rouge selon le premier aspect de l'invention. 25 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre les figures 1 et 2 déjà discutées : 30 û la figure 3 illustre un dispositif détecteur d'un rayonnement infra-rouge selon l'invention ; la figure 4 illustre un substrat utilisé dans le dispositif détecteur d'un rayonnement infra-rouge selon l'invention ; les figures 5a à 5b illustrent plusieurs configurations d'un évidement du substrat plan utilisé dans le dispositif détecteur d'un s rayonnement infra-rouge selon l'invention ; les figures 6a et 6b illustrent respectivement les performances d'un capteur infra-rouge de type connu et d'un capteur infra-rouge selon l'invention ; la figure 7 illustre une vue de dessus du substrat avec des pièges io à colle pratiqués sur chaque élément de couplage. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Structure du capteur La figure 3 illustre un capteur IR comprenant un ensemble 100 de 15 détecteurs quantiques IR destiné à détecter un rayonnement 1 IR, un refroidisseur 300 de Stirling dont une surface 11 de refroidissement peut être soumise à des vibrations sous l'effet de cycles de Stirling et un coupleur 200 disposé entre l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR et le refroidisseur 300. 20 Afin d'éviter que le refroidisseur 300 ne cause des perturbations du fait des vibrations engendrées par les cycles de Stirling, le coupleur 200 comprend un évidement 14 pratiqué du côté de l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR. L'évidement 14 s'étend au moins en face de la surface 11 de 25 refroidissement du refroidisseur 300 de sorte que le coupleur 200 ne soit pas en contact avec l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR et que les vibrations auxquelles peut être soumis la surface 11 du refroidisseur 300 ne soient pas transmises à l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR. La profondeur de l'évidement est de l'ordre de 50 à 100 micromètres. De manière plus précise, le coupleur 200 comprend un substrat 8 dans lequel est pratiqué l'évidement 14. Le substrat 8 est de préférence parallélépipédique. L'évidement 14 absorbe donc les vibrations tout en assurant un refroidissement suffisant de l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR bien que la surface 81 du substrat couplé à l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR soit moins important que dans les capteurs de type connu (voir figure 2). Les matériaux qui constituent l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR ne sont plus déformés. io La figure 4 illustre le substrat 8 avec un évidement 14 en forme de rainure pratiquée selon une direction AA' orthogonale à une direction LL' longitudinale du refroidisseur 300. La figure 5a est une vue de dessus du substrat 8 illustre sur la figure 4. Les figures 5b et 5c illustrent une vue de dessus du substrat 8 avec un 15 évidement 14 selon deux autres modes de réalisation. Sur la figure 5b l'évidement 14 est en forme de rainure pratiquée selon deux directions orthogonales à la direction LL' longitudinale du refroidisseur 300. Dans ce mode de réalisation, la rainure a une forme de croix. 20 Sur chacun des modes de réalisation, la rainure pratiquée comprend un fond de dimensions supérieures ou égales à la surface 11 de refroidissement du refroidisseur 300. En d'autres termes, pour que les vibrations du refroidisseur 300 ne soient pas transmises à l'ensemble 100 de détecteurs quantiques IR, 25 l'évidement doit être fonction de la surface 11 de refroidissement du refroidisseur 300. Le substrat 8 est connecté à l'ensemble 100 de détecteurs quantiques selon au moins deux éléments de couplage. Sur la figure 5a on a deux 142', 142" éléments de couplage et sur la 30 figure 5b on a quatre 142', 142", 143', 143" éléments de couplage. La connexion avec, d'une part, l'ensemble 100 de détecteurs quantiques et, d'autre part, avec le refroidisseur 300 est effectuée via de la colle déposée en couche 7, 9 avec les surfaces connectées. L'évidement 14 étant de faible profondeur au cours du collage de l'ensemble 100 de détecteurs quantiques il se peut que de la colle ne déborde et ne tombe dans l'évidement 14. L'évidement 14 étant de faible profondeur, la colle peut le boucher tout ou partie. Pour éviter que de la colle 7, 9 ne bouche l'évidement 14 on peut prévoir des pièges à colle sur chaque élément de couplage. io Les pièges à colle piègent la colle au cours du collage. On a illustré sur la figure 7 une vue de dessus du substrat avec des pièges à colle sur les éléments de couplage 142, 143. Les pièges à colle sont des saignées S pratiquées dans chaque élément de couplage 142, 143 à proximité de l'évidement 14. 15 Pour éviter que l'évidement ne soit bouché, on peut aussi augmenter la profondeur de l'évidement 14. Le refroidisseur 300 ù comme déjà mentionné ù est un refroidisseur 300 de Stirling et comprend des moyens 15, 16 pour générer une onde de pression dans un fluide ou gaz 17 et la transmettre à la surface 11 de 20 refroidissement du refroidisseur 300. Les moyens pour générer l'onde de pression dans le fluide sont de préférence composés d'un moteur 15 connectés à un piston. Le fluide ou gaz 17 est quant à lui contenu dans une enceinte située à l'intérieur du refroidisseur 300. 25 Le capteur IR tel que décrit peut être implémenté dans un dispositif d'observation IR tel que des jumelles IR ou une caméra IR. Performances On a illustré sur les figures 6a et 6b le bruit mesuré au niveau de la zone D où le substrat 8 est en contact avec l'ensemble 100 de détecteurs 30 quantiques IR. Cette zone correspond à l'endroit où est appliqué le refroidisseur 300. La figure 6a correspond à la configuration de la figure 2, c'est-à-dire sans évidement pratiqué dans le substrat 8 tandis que la figure 6b correspond à la configuration de la figure 3, c'est-à-dire avec un évidement 14 pratiqué dans le substrat 8. On obtient bien une suppression du bruit au niveau de la zone D où le refroidisseur est appliqué sur le substrat 8. Le bruit est constant sur toute la largeur du substrat 8, il n'y a plus de bruit additionnel issu des vibrations du refroidisseur, les performances sont donc améliorées. REVENDICATIONS1. Capteur infra-rouge comprenant un ensemble (100) de détecteurs quantiques infra-rouges, destiné à détecter un rayonnement (1) infra-rouge ; un refroidisseur (300) de Stirling dont une surface (11) de refroidissement peut être soumise à des vibrations sous l'effet de cycles de Stirling ; un coupleur (200) disposé entre l'ensemble et le refroidisseur, io pour coupler thermiquement l'ensemble (100) et le refroidisseur (300) ; caractérisé en ce que le coupleur (200) comprend un évidement (14) pratiqué du côté de l'ensemble (100) et s'étendant au moins en face de la surface (11) de refroidissement du refroidisseur (300) de sorte que le 15 coupleur (200) ne soit pas en contact avec l'ensemble (100) en face de la surface (11) de refroidissement du refroidisseur (300) et que les vibrations auxquelles peut être soumise la surface du refroidisseur (300) ne soient pas transmises à l'ensemble (100). 20 2. Capteur selon la revendication 1 dans lequel le refroidisseur comprend une direction (LL') longitudinale et dans lequel l'évidement (14) est pratiqué selon au moins une direction (AA') orthogonale à la direction (LL') longitudinale du refroidisseur. 25 3. Capteur selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel l'évidement (14) est pratiqué selon une rainure comprenant un fond (141) de dimensions supérieures ou égales à la surface (11) de refroidissement du refroidisseur (300). 15 4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le coupleur (200) est connecté à l'ensemble de détecteurs quantiques infra-rouges selon une pluralité d'éléments (142, 143) de couplage. s 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le coupleur (200) comprend un substrat (8), de préférence en matériau isolant, connecté d'une part avec l'ensemble (100) de détecteurs quantiques infra-rouges et d'autre part avec le refroidisseur (300), la connexion étant effectuée par des moyens (7, 9) de collage. Io 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel les éléments de couplage comprennent au moins une saignée (S) pratiquée dans chaque élément de couplage, à proximité de l'évidement, de manière à ce que les moyens de collages ne tombent pas dans l'évidement (14). 7. Capteur selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel l'ensemble (100) de détecteurs quantiques infra-rouges comprend une couche (2) en matériau photosensible, de préférence HgCdTe ou InSb ayant des propriétés piézoélectriques. 20 8. Dispositif d'observation infra-rouge comprenant un dispositif détecteur d'un rayonnement infra-rouge selon l'une des revendications 1 à 7.