Qwip

Le QWIP est un détecteur de rayonnement infrarouge. La gamme de longueurs d'onde couverte en 2007 couvre de 3 µm à plus de 30 µm.



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Spectre électromagnétique - Mesure physique - Métrologie

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Le QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector : en français : «photodétecteur infrarouge à puits quantiques») est un détecteur de rayonnement infrarouge. La gamme de longueurs d'onde couverte en 2007 couvre de 3 µm à plus de 30 µm. Ce type de détecteur est sensible au rayonnement thermique émis par tout corps dont la température n'est pas nulle (selon la loi de rayonnement du corps noir introduite par Max Planck).

Introduction

Le QWIP est un détecteur quantique : l'absorption du rayonnement incident se fait par l'intermédiaire d'une transition électronique. Cette transition a lieu entre le niveau essentiel du puits quantique et le premier niveau excité. Si un seul niveau confiné existe, la transition a lieu entre le niveau essentiel et le continuum d'états délocalisés.

Les règles de sélection régissant l'interaction entre rayonnement électromagnétique et électrons amènent à deux caractéristiques particulièrement importantes de ce composant :

Le QWIP est un détecteur refroidi. En effet, les transitions électroniques mises en jeu peuvent aussi être excitées par les phonons, c'est-à-dire par les vibrations du réseau cristallin. Pour diminuer ces vibrations il faut refroidir le détecteur. La température de fonctionnement dépend de la longueur d'onde. Pour un QWIP détectant à 9 µm, la température de fonctionnement dépasse actuellement 77 K (-196 °C, température de l'azote liquide).

Le QWIP est un détecteur unipolaire : le courant électrique est du seulement aux électrons. C'est une différence majeure comparé aux autres technologies de détection, qui exploitent des photodiodes (jonctions pn). Dans une photodiode les photons incidents excitent les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction d'un semi-conducteur. Le courant est porté à la fois par les électrons et les trous. Une photodiode est donc un composant bi-polaire.

La technologie QWIP exploite la filière industrielle des semi-conducteurs III-V : le GaAs et ses alliages (AlGaAs, InGaAs). Les QWIPs bénéficient de l'ensemble des avantages de cette technologie duale, développée pour les applications de la micro-électronique (e. g. téléphones portables) et de l'opto-électronique (télécommunications sur fibre)  :

Les QWIPs sont spécifiquement bien adaptés pour les applications d'imagerie rapide (plus de 50 images par seconde), longue distance (plusieurs kilomètres), nécessitant une grande résolution et une grande sensibilité. Voici une liste non exhaustive des applications envisageables :

Outre l'imagerie thermique classique, dans une bande spectrale donnée, les QWIPs ouvrent la voie à d'autres applications, dites de troisième génération :

En France, les QWIPs sont promus essentiellement par le laboratoire de recherche de la société THALES, ancienne Thomson. La recherche, le développement mais aussi la production sont assurées par le Groupement d'Intérêt Economique (GIE) Alcatel-Thales III-V Lab. Des caméras infrarouge à base de QWIPs sont réalisées en France par Thales et Cedip. Sofradir est un autre acteur important dans le domaine infrarouge autant en France qu'à l'étranger.

Au niveau mondial, les détecteurs à puits quantiques sont étudiés et réalisés aux États-Unis, Allemagne, Suède, Isræl, Canada, Australie. De plus en plus de pays s'y intéressent (Turquie, Inde, Corée du Sud) grâce à l'accessibilité de la technologie III-V (la recherche peut être menée dans un laboratoire universitaire).

Réalisation du détecteur

La réalisation d'un détecteur à puits quantiques nécessite quatre étapes principales :

Conception de la structure quantique

La couche active du détecteur est une hétérostructure à base de semiconducteurs. Actuellement les matériaux les plus utilisés sont les alliages AlGaAs (arseniure de gallium et aluminium) et InGaAs (arseniure de gallium et indium). La structure est obtenue en réalisant une succession périodique de couches de nature chimique différente. A titre d'exemple, on peut réaliser une alternance AlGaAs - GaAs - AlGaAs - GaAs -... Dans cette structure les couches AlGaAs ont une affinité moins grande pour les électrons. Ces derniers seront confinés dans les couches GaAs, qui vont ainsi former des puits. Les couches AlGaAs jouent le rôle de barrières de confinement. Les électrons sont introduits dans la structure en dopant certaines couches avec un élément donneur (le silicium).

Les puits quantiques sont pris en sandwich entre deux couches de semiconducteur dopé, jouant le rôle de contacts électriques. Ces contacts permettent d'appliquer une différence de potentiel au composant et récupérer un courant.

La conception de la structure consiste à choisir l'épaisseur, mais aussi la composition des différentes couches, le nombre de période, le dopage des puits, l'épaisseur et le dopage des contacts, etc.

Exemple : une structure dont le pic d'absorption est centré à 9 µm correspond à des puits GaAs larges de 5 nm à peu près (soit 18 couches atomiques). Les barrières AlGaAs contiennent 25 % d'aluminium et leur épaisseur est de 40 nm à peu près. Un détecteur comprend quelques dizaines de puits.

Épitaxie de la structure

La réalisation de la couche active est faite par une technique d'épitaxie, telle l'épitaxie par jets moléculaires (EJM). Cette technique emploie des substrats mono-cristallins, ayant la forme d'une galette (diamètre de 5 à 10 cm, épaisseur 0.5 mm), sur lesquels on dépose des atomes, couche atomique par couche atomique. C'est le substrat qui impose l'organisation spatiale des atomes déposés. La croissance cristalline a lieu sous vide (10ˆ-10 atmosphères) ainsi qu'à haute température (500-600 °C).

Avantages de la technique :

Réalisation de la matrice de détecteurs

Une fois la couche active obtenue, on procède à la réalisation des matrices de détecteurs. Le travail est effectué en salle blanche. La qualité des matrices (pourcentage de pixels utilisables) dépend directement de la qualité de l'atmosphère et des produits chimiques utilisés. À titre d'exemple, est reconnue comme impureté critique tout ce qui dépasse une taille de 1 µm.

Plusieurs procédés technologiques sont nécessaires :

Pour la réalisation des matrices il faut maîtriser la gravure de motifs submicroniques (0.3-0.7 µm).

La réalisation de la matrice se fait en plusieurs étapes :

On obtient ainsi des matrices au format TV (640x512 pixels) ou TV/4 (384x288 pixels), ou alors depuis peu au format HDTV (1280x1024). Les pixels ont des dimensions allant de 15 à 25 µm.

La matrice de détecteurs est connectée avec billes d'indium à une matrice identique, composée de petits circuits de lecture en silicium. Ces circuits permettent de polariser le détecteur et de recueillir le signal. L'opération d'assemblage est nommée hybridation.

Réalisation d'une caméra

L'hybride obtenu est monté dans un petit cryostat (rappel : le détecteur fonctionne à basse température), lequel est ensuite couplé à une petite machine à froid, fonctionnant sur le principe de la compression-détente. La totalité cryostat-machine à froid forme le bloc détecteur. Ce dernier est particulièrement compact : une douzaine de centimètres pour quelques centaines de grammes.

Le bloc détecteur est intégré dans une caméra, qui contient aussi l'optique servant à former l'image et l'électronique de lecture et de traitement.

Caractérisation des performances

Quand on parle de performances, il faut distinguer entre performances du détecteur et performances de la caméra. Nous parlerons ici des performances du détecteur.

Les performances électro-optiques d'un détecteur infrarouge sont évaluées avec grandeurs physiques suivantes :

On rencontre aussi d'autres grandeurs physiques, comme par exemple la NETD (Noise Equivalent Temperature Difference : différence de température de scène correspondant à un signal équivalent au bruit). Faisant intervenir des paramètres externes au détecteur, elle ne peut pas être utilisée pour estimer les performances d'un détecteur. Pour l'imageur thermique complet le paramètre pertinent sera la NETD, ou encore la portée (en kilomètres). Actuellement les QWIPs permettent d'atteindre des résolutions thermiques de 10 - 30 millikelvins (1 à 3 centièmes de degré), selon la configuration de l'imageur.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 11/11/2010.
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