Brevet FR3084523A1 — publié le 20200131

DISPOSITIF DE DETECTION ELECTROMAGNETIQUE Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif de détection électromagnétique. État de la technique De manière à détecter un ou plusieurs signaux électromagnétiques dans une scène, il est courant d'utiliser un dispositif de détection. Le dispositif de détection comporte une pluralité de couches empilées les unes sur les autres afin de réaliser les fonctions optiques et électro-optiques nécessaires à la détection du signal observé. Le dispositif de détection comporte des couches électriquement conductrices, des couches électriquement isolantes et/ou des couches semi- conductrices assemblées de manière à capter le rayonnement électromagnétique et diriger les charges électriques formées dans le dispositif de détection vers les bornes de sortie afin que le signal électrique soit traité. Le dispositif de détection comporte encore des empilements de couches qui sont configurés pour éliminer au moins une partie des signaux optiques parasites qui sont généralement des filtres optiques bloquant le rayonnement électromagnétique hors de la gamme de longueur d'onde d'intérêt. En plus de la fonctionnalité de filtre, il est courant d'avoir une ou plusieurs lentilles qui concentrent le rayonnement électromagnétique vers les zones de transformation du rayonnement électromagnétique en un signal électrique. 2 Les empilements utilisés pour former les dispositifs de détection sont complexes de sorte qu'un important travail de simulation est réalisé avant de fabriquer et tester ces produits. 5 Pour détecter le rayonnement électromagnétique, il est courant d'utiliser des dispositifs de détection refroidis, c'est-à-dire l'association d'un dispositif de détection avec un refroidisseur afin que le dispositif de détection fonctionne à basse température. Le refroidisseur permet de refroidir le dispositif de 10 détection de manière à réduire certaines composantes de bruit. Il apparait que lors de la réalisation pratique du dispositif de détection simulé, les performances obtenues ne sont pas toujours en accords avec les résultats des simulations ce qui nécessite des étapes longues et couteuses 15 de développement complémentaires. Objet de l'invention 20 Un objet de l'invention consiste à remédier à ces inconvénients, et à réaliser un dispositif de détection qui est plus performant que les dispositifs de détection de l'art antérieur et notamment à basse température. Il est particulièrement avantageux de prévoir un dispositif de détection 25 comportant : - un premier empilement absorbant configuré pour absorber un rayonnement électromagnétique dans au moins une première gamme de longueur d'onde et présentant un premier coefficient de dilatation thermique et - un deuxième empilement formant une fonction optique et présentant un 30 deuxième coefficient de dilatation thermique. 3 Le dispositif de détection est remarquable en ce que le premier coefficient de dilatation thermique est différent du deuxième coefficient de dilatation thermique et en ce qu'il comporte une couche tampon séparant le premier empilement et le deuxième empilement, la couche tampon présentant une 5 épaisseur comprise entre 0,5pm et 50pm de manière à absorber les contraintes mécaniques introduites par le premier empilement. Dans un développement, la couche tampon est électriquement isolante. 10 Dans un mode de réalisation particulier, la couche tampon est configurée pour ne pas absorber la première gamme de longueur d'onde. Il est avantageux de prévoir un dispositif de détection dans lequel : - le premier empilement absorbant comporte un premier photodétecteur et un 15 deuxième photodétecteur adjacent au premier photodétecteur, - le deuxième empilement comporte un premier filtre faisant face au premier photodétecteur, le premier filtre étant configuré pour laisser passer une première gamme de longueur d'onde et pour bloquer une deuxième gamme de longueur d'onde différente de la première gamme de longueur d'onde, le 20 deuxième photodétecteur est recouvert par une fonction optique différente du premier filtre de manière à dissocier le rayonnement électromagnétique reçu par les premier et deuxième photodétecteurs. Dans une alternative de réalisation, la fonction optique est une couche anti- 25 reflet qui recouvre également le premier photodétecteur. Il est avantageux de prévoir que la fonction optique soit un deuxième filtre configuré pour laisser passer la deuxième gamme de longueur d'onde et pour bloquer la première gamme de longueur d'onde. 30 4 Dans un autre développement, le premier photodétecteur et le deuxième photodétecteur sont configurés pour absorber la première gamme de longueur d'onde et la deuxième gamme de longueur d'onde. 5 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 10 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 illustre de façon schématique, en coupe, un mode de réalisation d'un dispositif de détection, les figures 2 à 4 représentent, de manière schématique, en coupe, 15 des étapes de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif de détection, les figures 5 et 6 représentent, de manière schématique, en coupe, des étapes de réalisation d'un autre procédé de fabrication d'un dispositif de détection. 20 Description détaillée Comme illustré à la figure 1, le dispositif de détection 1 comporte un premier 25 empilement absorbant 2 qui est formé par une ou plusieurs couches électriquement conductrices et semi-conductrices qui sont agencées de manière à capter un rayonnement électromagnétique A dans au moins une première gamme de longueur d'onde et avantageusement dans au moins une première gamme de longueur d'onde et une deuxième gamme de 30 longueur d'onde différente de la première gamme de longueur d'onde. La 5 première gamme de longueur d'onde n'a pas de recouvrement avec la deuxième gamme de longueur d'onde. Le premier empilement 2 comporte avantageusement une couche 5 absorbante également appelé matériau absorbant qui est configuré pour absorber le rayonnement incident et le transformer en des porteurs de charge électrique formant un signal électrique. Les porteurs de charge électrique provenant de l'absorption d'un rayonnement lumineux sont également appelés photo-porteurs. Le matériau absorbant peut être un 10 matériau II-VI ou un matériau III-V. Le matériau absorbant peut être choisi parmi HgCdTe, InSb, InAsSb, InGaAs et InP. Une première face du premier empilement 2 est recouverte au moins partiellement, c'est-à-dire partiellement ou totalement recouverte par un 15 deuxième empilement 3 formant une fonction optique. Selon les modes de réalisation, la fonction optique peut être un antireflet, un filtre ou une lentille. Il est également possible de prévoir que le deuxième empilement 3 réalise plus d'une fonction parmi les fonctions décrites plus haut, par exemple un filtre associé à un anti-reflet ou une lentille associée à un anti-reflet. Il est encore 20 possible de prévoir que le deuxième empilement 3 réalise ces trois fonctions. Selon les configurations, le filtre peut être un filtre passe-haut, un filtre passe-bas ou un filtre passe-bande. Une couche anti-reflet est une couche configurée pour laisser passer au 25 moins 999' du rayonnement lumineux incident sur toute la gamme de longueur d'onde d'étude, par exemple dans toute la gamme de longueur d'onde absorbée par le photodétecteur ou dans toute la gamme de longueur d'onde passant à travers le filtre associé. 30 La fonction anti-reflet peut être réalisée par une seule couche ou par plusieurs couches préférentiellement en matériau électriquement isolant 6 également appelé diélectrique. Lorsque la fonction anti-reflet est formée par une seul couche, il est avantageux de réaliser la fonction anti-reflet par une couche dont l'épaisseur d est définie par ci = À/4n, avec n l'indice optique de la couche anti-reflet et À, la longueur d'onde caractéristique de la gamme de 5 longueur d'onde pour laquelle la fonction anti-reflet est recherchée. La longueur d'onde caractéristique est avantageusement la longueur d'onde moyenne de la gamme de longueur d'onde, mais il est possible de se décaler de cette valeur moyenne à l'intérieur de la gamme de longueur d'onde d'intérêt. La fonction anti-reflet n'est pas configurée pour changer la forme du 10 faisceau lumineux incident entre son entrée et sa sortie. Une lentille est une fonction optique qui est configurée pour laisser passer au moins 99% du rayonnement lumineux incident sur toute la gamme de longueur d'onde d'étude et pour mettre en forme le rayonnement incident. 15 Ainsi, la forme du rayonnement incident est différente entre l'entrée de la lentille et la sortie de la lentille. Un filtre est une fonction optique configurée pour laisser passer une gamme de longueur d'onde et bloquer une autre gamme de longueur. Par exemple, 20 le filtre est configuré pour laisser passer la première gamme de longueur d'onde et bloquer la deuxième gamme de longueur d'onde. Le filtre est avantageusement configuré pour laisser passer au moins 90% de la première gamme de longueur d'onde et pour bloquer au moins 90% de la deuxième gamme de longueur ou inversement. 25 Le premier empilement absorbant 2 est séparé du deuxième empilement 3 formant une fonction optique par une couche tampon 4. La couche tampon 4 est configurée pour absorber les contraintes thermomécaniques qui existent entre le premier empilement 2 et le deuxième empilement 3. 30 7 Les inventeurs ont observé que le premier empilement 2 absorbant présente un premier coefficient de dilatation thermique qui est différent du deuxième coefficient de dilatation thermique présent dans le deuxième empilement 3 formant la fonction optique. Lorsque le premier empilement 2 est en contact 5 direct avec le deuxième empilement 3, cette différence de coefficient de dilatation thermique entraine l'apparition d'un jeu de contraintes dans le premier empilement absorbant 2 et ce jeu de contraintes modifie le comportement électro-optique du premier empilement 2. Il est donc avantageux de séparer le premier empilement 2 et le deuxième empilement 10 3 pour réduire voire éliminer les contraintes du deuxième empilement 3 sur le premier empilement 2. Par coefficient de dilatation thermique, on entend un coefficient de dilatation thermique moyen sur une gamme de température qui s'étend entre une 15 première température et une deuxième température. La première température correspond par exemple à la température de fonctionnement du dispositif de détection lorsque ce dernier capte un signal électromagnétique et le transfert sous la forme d'un signal électronique à un circuit de traitement. La première température est par exemple comprise entre 20°C et 20 30°C. De manière avantageuse, la première température est inférieure à 0°C et préférentiellement inférieure à 200K et encore plus avantageusement comprise entre 80K et 200K. La deuxième température peut correspondre à la température de dépôt d'une ou plusieurs couches formant la fonction optique 3. La température de dépôt peut être supérieure à 50°C. Par 25 exemple, la deuxième température est égale à 80°C. En absorbant les contraintes mécaniques générées par le deuxième empilement 3 formant la fonction optique, la couche tampon 4 permet de rapprocher le premier empilement 2 de son fonctionnement attendu, c'est-à- 30 dire de son fonctionnement sans les contraintes mécaniques de la fonction 8 optique ou avec des contraintes plus homogènes voire identiques entre les photodétecteurs formés dans l'empilement absorbante. La couche tampon 4 peut être formée par une couche ou par plusieurs 5 couches différentes, c'est-à-dire formée par des matériaux différents. Il est particulièrement avantageux de prévoir que la couche tampon 4 soit réalisée par une seule couche car cela permet de diminuer les perturbations optiques entre le deuxième empilement 3 formant la fonction optique et le premier empilement 2 absorbant le rayonnement étudié. A chaque fois que le signal 10 optique rencontre une interface, une partie du signal optique est diffractée et est perdue. De manière avantageuse, la couche tampon 4 est homogène. Elle présente avantageusement une composition identique de la face en contact avec la 15 couche absorbante 2 jusqu'à la face en contact avec le deuxième empilement 3. De préférence cette homogénéité de composition est présente selon une ou plusieurs directions parallèles au plan d'interface entre la couche absorbante et la couche tampon et éventuellement perpendiculairement à l'interface entre la couche tampon 4 et la couche 20 absorbante 2. Par composition identique, on entend avantageusement que le dopage est constant d'une face à l'autre et/ou selon une ou plusieurs directions parallèles au plan d'interface entre la couche absorbante 2 et la couche tampon 4. 25 La couche tampon 4 est configurée de manière à ne pas procurer de fonction optique et notamment aucune des fonctions optiques listées ci-dessus. La couche tampon 4 est configurée pour ne pas absorber le rayonnement électromagnétique d'intérêt, c'est-à-dire le rayonnement électromagnétique qui doit être absorbé par le premier empilement 2. La couche tampon 4 est 30 configurée pour présenter un taux d'absorption du rayonnement étudié inférieur à 20%, c'est-à-dire que le premier empilement 2 reçoit entre 100% 9 et 80% du rayonnement transmis par le deuxième empilement 3. De cette manière, la couche tampon 4 est la plus neutre optiquement pour le fonctionnement du dispositif de détection. Avantageusement, la couche tampon 4 est configurée pour présenter un taux d'absorption du 5 rayonnement étudié inférieur à 10% voire 5%. La couche tampon 4 est configurée pour ne pas présenter de fonction électrique, c'est-à-dire qu'elle n'est pas configurée pour faire passer un courant électrique depuis le premier empilement 2 vers le deuxième 10 empilement 3. La couche tampon 4 est également configurée pour ne pas faire passer un courant électrique transversalement, c'est-à-dire selon une direction parallèle à l'interface entre la couche tampon 4 et le premier empilement 2. 15 La couche tampon 4 peut être réalisée par une couche électriquement isolante. La couche tampon 4 peut être formée partiellement ou complètement par un matériau diélectrique, c'est-à-dire par un matériau électriquement isolant. Il est également possible de prévoir que la couche tampon 4 soit formée partiellement ou complètement par un matériau 20 polymère. La couche tampon 4 peut également être formée partiellement ou complètement par un matériau semi-conducteur non dopé ou faiblement dopé de manière à empêcher le passage d'un courant électrique. Si un matériau semi-conducteur est utilisé, il n'absorbe pas le rayonnement électromagnétique recherché. 25 Dans certains modes de réalisation, la couche tampon 4 peut être formée par une couche qui présente un dopage en dopants électriquement actifs supérieur à 1.1016cm-3. Cependant, la couche tampon 4 n'est pas configurée pour réaliser une fonction de génération et collection de photo-porteurs dans 30 la gamme spectrale d'intérêt. Ce dopage peut être un dopage non volontaire, c'est-à-dire que la couche est non intentionnellement dopée. 10 Dans un mode de réalisation avantageux, la couche tampon 4 est réalisée dans un matériau amorphe. Dans un autre mode de réalisation, la couche tampon 4 est réalisée en accord de paramètre de maille avec le matériau 5 absorbant 2 afin de ne pas introduire ou de limiter l'apparition d'une contrainte liée à un désaccord de paramètre de maille avec le matériau absorbant 2. La couche tampon 4 présente une épaisseur totale qui est comprise entre 10 0,5pm et 50pm. Cette gamme d'épaisseur est particulièrement avantageuse car elle permet d'accommoder les contraintes technologiques d'un deuxième empilement 3 comportant par exemple une pluralité de lentilles et/ou une pluralité de filtres. Les lentilles permettent de faire converger une quantité importante du signal optique observé vers un photodétecteur de section plus 15 faible. L'épaisseur de la couche tampon 4 est inférieure à un seuil au-delà duquel la cavité optique qui existe entre le premier empilement 2 et le deuxième empilement 3 est soumise à des problèmes de diaphonie entre deux pixels 20 adjacents c'est-à-dire entre deux photodétecteurs immédiatement adjacents. Les inventeurs ont observé qu'au-delà d'une épaisseur de 50pm, il est très difficile de réaliser une cavité optique qui est dépourvue des problèmes de diaphonie. 25 Par exemple, pour un dispositif de détection comportant une pluralité de pixels arrangés avec un pas de répétition égal à 15um, des simulations optiques géométriques montrent que l'introduction d'une couche tampon 4 supérieure à 50pm exacerbe la diaphonie optique ce qui réduit fortement les performances du dispositif. Par exemple, dans cet exemple, l'utilisation d'une 30 couche tampon 4 dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 40pm permet de 11 conserver un dispositif de détection avec des performances en diaphonie acceptables. Par exemple, pour un dispositif de détection dont les pixels sont arrangés 5 avec un pas de répétition égal à 15mm, il est avantageux d'utiliser une couche tampon 4 dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 26jim pour avoir des performances quasi-optimales. De manière avantageuse, pour limiter la diaphonie, lorsque le dispositif de 10 détection présente une pluralité de photodétecteurs dans la couche absorbante 2 avec un pas de répétition P, il est avantageux d'utiliser une couche tampon 4 dont l'épaisseur d est inférieure à P/(2*tan(1/2n)) avec n l'indice optique de la couche tampon 4, c'est-à-dire c/ REVENDICATIONS1. Dispositif de détection (1) comportant : - un premier empilement absorbant (2) configuré pour absorber un rayonnement électromagnétique dans au moins une première gamme de longueur d'onde et présentant un premier coefficient de dilatation thermique et - un deuxième empilement (3) formant une fonction optique et présentant un deuxième coefficient de dilatation thermique, dispositif de détection caractérisé en ce que le premier coefficient de dilatation thermique est différent du deuxième coefficient de dilatation thermique et en ce qu'il comporte une couche tampon (4) séparant le premier empilement (2) et le deuxième empilement (3) de manière à séparer le premier empilement absorbant (2) d'un jeu de contraintes mécaniques introduit par le deuxième empilement (3), la couche tampon (4) présentant une épaisseur comprise entre 0,5pm et 50pm. 2. Dispositif de détection (1) selon la revendication 1, dans lequel la couche tampon (4) est électriquement isolante. 3. Dispositif de détection (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la couche tampon (4) est configurée pour ne pas absorber la première gamme de longueur d'onde. 4. Dispositif de détection (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel : - le premier empilement absorbant (2) comporte un premier photodétecteur (2a) et un deuxième photodétecteur (2b) adjacent au premier photodétecteur (2a), - le deuxième empilement (3) comporte un premier filtre (3a) faisant face au premier photodétecteur (2a), le premier filtre (3a) étant configuré pour laisser 21 passer une première gamme de longueur d'onde et pour bloquer une deuxième gamme de longueur d'onde différente de la première gamme de longueur d'onde, le deuxième photodétecteur (2a) est recouvert par une fonction optique différente du premier filtre (3a) de manière à dissocier le 5 rayonnement électromagnétique reçu par les premier et deuxième photodétecteurs (2a, 2b). 5. Dispositif de détection (1) selon la revendication 4, dans lequel la fonction optique est une couche anti-reflet qui recouvre également le premier 10 photodétecteur (2a). 6. Dispositif de détection (1) selon la revendication 4, dans lequel la fonction optique est un deuxième filtre (3b) faisant face au deuxième photodétecteur (2b) et configuré pour laisser passer la deuxième gamme de 15 longueur d'onde et pour bloquer la première gamme de longueur d'onde. 7. Dispositif de détection (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le premier et le deuxième photodétecteurs (2a, 2b) sont configurés pour absorber la première gamme de longueur d'onde et la 20 deuxième gamme de longueur d'onde. 8. Dispositif de détection (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier empilement absorbant (2) comporte une pluralité de photodétecteurs arrangés selon un pas de répétition P et dans 25 lequel la couche tampon présente une épaisseur d telle que c/