1 - CEA

Détecteurs bolométriques THz
Patrick Agnèse, François Simoens, Valerie Nguyen, Eric Mottin
CEA-LETI 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble cedex 9
Abstract - Until 1999, nowhere in the world could imagery systems based on bolometry for the detection of
millimetric wave ambient temperature in atmospheric windows having central frequencies of 35, 94, 140, 220
GHz, or even 350 GHz and more, be produced. As part of a working thesis at Leti, an antenna bolometer concept
operating in the millimetric field was investigated, using SOI substrates to produce temperature probes. The
work resulted in the production of mono-elements in atmospheric transmission windows. This led to the
innovative approach to construct the THz bolometer based on a standard silicon technology with the quarter
wave cavity built from a specific dielectric.
Etat de l’art dans le domaine de la
détection millimétrique
Il n’existait pas dans le monde jusqu’en 1999 de
réalisation de systèmes d’imagerie basés sur la
bolomètrie pour la détection à température ambiante
d’onde
millimétrique
dans
les
fenêtres
atmosphériques de fréquences centrales 35, 94, 140,
220 GHz, voire 350 GHz.
La détection directe comprend la réception du
signal par une antenne et son amplification dans la
même bande passante. L’amplification du signal est
assurée par plusieurs étages de transistors. La
technologie des transistors HEMT (transistor à haute
mobilité électronique) sur InP a les meilleures
performances en terme de bande passante (fréquence
de coupure de 200 GHz pour une longueur de grille de
0.1 µm) et de bruit avec un facteur de bruit inférieur à
1.4 dB à 94 GHz (le facteur de bruit d’un
amplificateur représente la dégradation du rapport
signal sur bruit f=(S/B)entrée/(S/B)sortie exprimé en dB).
Les transistors HEMT mettent à profit les propriétés
de haute mobilité d’un gaz bidimensionnel d’électrons
formé à l’interface d’une hétéro jonction. Ces
détecteurs nécessitent près de 40 à 50 dB de gain sur
le signal récolté par l’antenne, ce qui impose 4 étages
d’amplification pour l’InP. La nécessité de plusieurs
étages a contribué au développement de l’intégration,
de l’hybridation et finalement à l’apparition de
circuits intégrés spécifiques : les MMIC (MilliMeter
Integrated Circuit). Ils permettent une diminution des
pertes par couplage et une miniaturisation laissant
envisager l’intégration dans un plan focal. La
détection hétérodyne consiste à multiplier le signal
d’entrée par un signal de fréquence pure. Cette
multiplication est effectuée par un dispositif non
linéaire appelé mélangeur qui multiplie le signal avec
celui de l’oscillateur local obtenu avec une diode
‘’gunn’’. Le signal résultant est alors le signal
d’entrée translaté en fréquence de la fréquence de
l’OL (figure 5). L’amplification autour d’une
fréquence plus basse est donc facilitée. La détection
hétérodyne en millimétrique est très utilisée en
interférométrie (radio-astronomie) car elle conserve
l’information de phase.
Figure 1: Synoptique du détecteur hétérodyne
Les principaux défauts des détecteurs hétérodynes
sont leur encombrement et leur consommation
excessive car ils nécessitent plusieurs dispositifs :
deux contraintes qui en font de piètres candidats pour
une caméra millimétrique. TRW est sûrement
actuellement l’entreprise américaine la plus avancée
dans la réalisation de systèmes d’imagerie
millimétrique passive. Elle travaille sous contrat avec
la NASA qui demandait une caméra millimétrique
passive d’aide au pilotage ayant pour cahier des
charges une cadence de 17 Hz, une NEDT (Noise
Equivalent Différence Température : écart de
température minimum détectable) inférieure à 4 K et
une couverture de champ de 15°*10. TRW utilise une
technologie basée sur les détecteurs à détection
directe MMIC en GaAs (bientôt en InP pour pouvoir
atteindre la bande de 140 GHz). Une seule puce fait 2
mm par 7 mm et possède 7 étages d’amplification
faible bruit (facteur de bruit inférieur à 5.5 dB) pour
un gain total supérieur à 40 dB. La réception du signal
se fait avec une antenne planaire Vivaldi sur chaque
puce.
1
Figure 2 : module de 4 récepteurs
Le plan focal est constitué de 1040 pixels : Soit 26
plaques de 40 détecteurs alignés. Ceci implique tout
de même une consommation de l’ordre de 700 W. Un
miroir de renvoi assure la fonction de micro-balayage
(2*2) et permet ainsi d’obtenir une image sur 4160
canaux. Cette image est ensuite traitée par des
processeurs parallèles se chargeant d’utiliser les
résultats du double étalonnage et de l’algorithme de
super-résolution. Les algorithmes de super-résolution
permettent par un traitement de l’image obtenue
d’atténuer les défauts de résolution spatiale : trame
verticale d’un balayage, microbalayage, vibration de
la caméra. La cadence image alors obtenue est de 17
Hz. L’étalonnage est assuré par une source de bruit
externe qui fournit un signal à deux niveaux à
l’ensemble du plan focal à une cadence réglable.
Figure 3 : plan focal
La caméra opère à 89 GHz avec une bande
passante de 10 GHz pour éviter les émissions radar à
94 GHz. Elle possède un champ de 15° par 10° obtenu
avec une lentille, de 46 cm de diamètre, traitée
antireflet. La NEDT vaut 0.9 K pour un temps
d’intégration de 10 ms correspondant à la cadence de
17 Hz affichée.
Figure 4 : caméra TRW
Solutions apportées par le LETI en
détection millimétrique
Matrice
monolithique
millimétriques
de
bolomètres
Dans la continuité du développement présenté en
1.2.1, nous avons poussé dès 1998 le concept jusqu’au
longueur d’onde millimétrique. Ce nouveau concept a
fait l’objet d’un dépôt de brevet par le CEA :
Détecteur bolométrique à antenne, n°E.N. 98 16648,
1998. Pour l’application en détection millimétrique il
est préférable de découpler topologiquement la
fonction absorption de la fonction bolométrique car le
pas de la matrice devient important (quelque mm).
Aussi une antenne planaire permettant de collecter les
courants de surface induits par le champ
électromagnétique est disposée sur le substrat en
silicium et une charge électrique est disposée sur un
bolomètre de manière à ce que le courant se dissipe
par effet joule dans la résistance de charge et donc
induit l’effet bolométrique recherché. Les figures ciaprès présentent en coupe et de face l’antenne
associée au bolomètre :
2
qui ne sert que de support au thermomètre réalisé ici
par une diode PN sur silicium monocristallin. Par
construction le bolomètre peut être à antenne bipolaire
ou quadripolaire donc la détection peut être sélective
en polarisation de l’onde incidente ou pas.
L’émission d’un corps noir aux températures
ambiantes étant à large spectre de l’infra-rouge
thermique au millimétrique et d’autant plus
importante à courte longueur d’onde, bien que
l’antenne devienne réflectrice en IR une absorption à
ces longueurs d’onde peut apparaître au niveau du
micro-bolomètre. Aussi la structure suivante:
Figure 6 :
Figure 5 : Bolomètre à antenne
La super-résolution spatiale pour un pas pixel de
lambda/2 et le haut facteur de remplissage optique
sont donc assurés pour une disposition en matrice de n
x n pixels réalisés collectivement. L'antenne bipolaire
ou quadripolaire en métal conducteur (Au) augmentée
d’un réflecteur en face arrière et d’une cavité
d’épaisseur /4 permet l’absorption proche de l’unité
dans une large gamme en fréquence ou longueur
d’onde.
D’autres approches de détection utilisent soit des
cônes de Winston associés à des sphères intégrantes
pour augmenter l’efficacité en absorption mais en
contre-partie l’ouverture du cône doit être de quelques
, soit des antennes de type Vivaldi mais qui ont une
bande passante en fréquence de l’onde incidente
relativement faible comparativement aux fenêtres
atmosphériques. Dans notre cas la limitation
intervient à haute fréquence car le courant parcourt la
charge dissipative constituée d’un fil en métal (qui
suspend le micro-bolomètre et qui constitue aussi la
résistance thermique de ce dernier) éloigné de toute
masse électrique, néanmoins par le choix du métal
celui-ci peut-être limitatif à haute fréquence. La
dissipation joule intervient tout au long du fil
permettant d’élever en température la pastille centrale
autorise la mesure différentielle s'affranchissant de
l'absorption du flux parasite d'origine thermique et des
fluctuations de température du substrat. Enfin
l’antenne n’est pas nécessairement du type “bowtie
antenna”, mais plus sélective en longueur d’onde si
nécessaire. Parmi les avantages on citera la réalisation
collective en filière technologique silicium de matrice
2D de complexité importante, l’obtention d’image
super-résolue spatialement ne nécessitant pas au
niveau caméra de micro-balayage. Soit un système
mécanique induisant un sur-coût et un risque système
plus important qu’ un chopper optique qui s’avéra
nécessaire pour la détection par bolomètre. La large
bande d’absorption autorise la détection multispectrale ou la détection dans les deux fenêtres
atmosphériques ce qui correspond à un gain en terme
de signal à bruit. Un plan focal de complexité 32x32 à
lecture intégrée n’excèdera pas en puissance
électrique plus de quelques 100mW. Enfin
l’homogénéité des bolomètres d’une matrice laisse
penser que la calibration d’un tel plan focal ne soit pas
un réel problème.
Les principales limitations, en terme de complexité
proviennent de la taille car en effet si même la filière
de réalisation technologique est en 8” (plaque de
silicium de 200mm de diamètre), plus la taille d’une
matrice sera grande et moins il y aura de matrices par
plaque ce qui contraint le rendement de fabrication et
augment le coût unitaire.
3
Figure 7:
Une limitation en terme de performance vient de ce
que la charge d’antenne étant dimensionnée pour une
absorption maximale, cette résistance constituant
aussi la résistance thermique du bolomètre on limite la
réponse thermique et donc on peut être limité par le
bruit des éléments en aval de la chaîne de conversion
(thermomètre en particulier ou le bruit de fluctuation
thermique de la résistance thermique elle-même dit
bruit phonique).
Réalisations et résultats
Réalisations, mesures et simulations de
bolomètres à antennes
Résultats obtenus en détection millimétrique à
température ambiante
A l’occasion d’un travail de thèse orienté sur la
faisabilité en particulier
technologique qui
apparaissait comme un point dur, nous avions décidé
la réalisation d’un lot d’essai afin d’obtenir des
matrices pour les quatre longueurs d’onde
correspondant aux fenêtres de transmission
atmosphérique : 1=8570 µm (matrice M35), 2=3190
µm (matrice M94), 3=2140 µm (matrice M140) et
4=1365 µm (matrice M220) qui correspondent aux
fréquences : 1=35 GHz, 2=94 GHz, 3=140 GHz et
4=220 GHz. Une tranche comporte des matrices de
8*8 détecteurs sauf pour M35 qui ne comporte que
2*2 détecteurs et M94 qui n’en comporte que 4*4
pour des raisons d’encombrement sur la tranche en
filière 4”. D’autre part en filière 4” et du fait de
l’assemblage des motifs qui ne sont pas photo
répétables les masques ne purent être réalisés qu’à
l’échelle 1X induisant une règle de dessin (finesse des
traits de dessin en CAO) à 3µm, ce qui pour le microbolomètre et la diode thermométrique n’est pas
optimale. On présente ci-après le dessin de la nappe
KOBE :
La topologie du pixel retenue pour ce premier jeu
de masques était à double micro-bolomètres centraux,
l’un aveugle au flux millimétrique, l’autre relié à une
antenne bipolaire. On avait disposé des barrettes de
tests de diodes thermométriques de différentes
topologies ou types en vu d’optimiser cet élément
fondamental du bolomètre notamment sur l’aspect du
bruit à basse fréquence, mais le travail de
caractérisation n’a pu se faire sur ces barrettes à
l’occasion de la thèse. Sans entrer dans le détail du
processus technologique élaboré et qui a permis de
révéler certains problèmes à certaines étapes, ce qui
nous permet à présent de savoir optimiser
l’empilement technologique, nous présentons
quelques photographies de micro-bolomètres obtenus
en fin de technologie :
Figure 8 thermomètres à diodes suspendus et leurs
électrodes
Figure 9 : photographie d’une matrice de micro
bolomètres à antennes
Les mesures de réponse des bolomètres sont
effectuées sous le flux d’un corps noir de 1000 K. La
température de ce dernier a été prise suffisamment
importante pour faciliter les mesures. Le montage
consiste donc en un corps noir qui éclaire à travers un
chopper et un diaphragme qui est choisi de manière à
obtenir une ouverture à F/1 et d’un filtre. On présente
ci-après la photographie de l’expérience. A partir
d’une estimation de la bande spectrale en absorption
pour les bolomètres testés de 80 à 180 GHz on obtient
une réponse de près de 10A/W. Et on mesure pour
une fréquence de chopper de 300Hz (rendue
nécessaire du fait d’un excès de bruit 1/f sur les
diodes thermométriques testées) une puissance
détectable équivalente au bruit pour un signal à bruit
de 1 (NEP) égale à 2.5*10^-13 W/Hz^1/2 donnant un
4
NEDT de ~3 K/Hz^1/2. On obtient, pour un temps
d’intégration de 40ms (fréquence image de 25Hz), un
NEDTrms=15K. L’amélioration de la performance
(une décade) passera par l’optimisation de la diode
pour réduire son bruit 1/f et l’augmentation de son
courant de polarisation puisque la réponse
thermométrique est proportionnelle à ce courant, enfin
l’augmentation de la résistance thermique par
optimisation de toutes les poutres métalliques
d’antenne et d’électrodes.
Figure 10 : Photographie de l’expérience de
réponse au corps noir de bolomètre MM
Optimisation envisagée et simulations
On analyse la performance en terme de NEDT sur
une scène en bande millimétrique d’un bolomètre
supposé de coefficient d’absorption unitaire dans une
bande en fréquence optique de 40GHz autour d’une
fréquence centrale à priori dans la gamme de 70GHz à
375GHz. Considérons un bolomètre au pas égal à /2
adapté à la fréquence centrale, une ouverture optique
F/1, exprimons le flux détecté en fonction de cette
fréquence centrale pour un fond de scène à la
température de Ts=300K, P(Ts), représentons
également le contraste de scène exprimé par
dP(Ts)/dTs :
26.575695
Flux et contraste par bolomètre
Figure 10 :
Le contraste de scène est relativement constant :
0.34pW/K, ce contraste est évidemment quatre fois
supérieur si les bolomètres sont au pas de  ou si
l’ouverture optique est deux fois supérieure, auquel
cas, puisque le flux de scène est de l’ordre de 30pW
comparativement à la dissipation joule du
thermomètre de l’ordre de 0.1 à 1 µW, les puissances
équivalentes au bruit d’origine optique, phonique,
thermométrique, ne sont pas affectées et donc
augmentant le contraste de scène on réduira d’autant
le Nedt.
Si on calcule les différentes contributions au NEP
(pW/Hz1/2) due soit aux fluctuations de fond de scène
(température Ts) en millimétrique limitée à
l’ouverture (NEP), soit aux fluctuations de fond
(température de l’environnement du bolomètre Tf) en
millimétrique dans 2 stéradian (NEPf), soit aux
fluctuations du rayonnement infrarouge supposé
détecté sur 10% de la surface du bolomètre (50µm x
50µm indépendant de la taille d’antenne), cette
hypothèse est somme toute pessimiste car le seul
élément absorbant en infrarouge est le métal de
résistance donnée constituant la charge or un ‘fil’ de
quelque µm de large d’une centaine de µm de long
relativement isolé (structure 2D au pas de plus d’un
mm) risque d’avoir un coefficient d’absorption bien
inférieur au rapport de surfaces. Soit donc cette
contribution (NEPb) au niveau du bolomètre central
aux antennes (température Tb), on obtient :
Pour Ts=300K, Tf=Tb=300K & 150K
0.087234
0.1
100
nep
n
nepf
n
P
n
dP
10
0.01
nepb
n
nepb2
n
3
1 10
nepb1
n
n
1
4
4.644291 10 1 10 4
0.337961
0.1
0
70
50 100 150 200 250 300 350 400
freq 10
n
9
P(pW)=fct(fréquence)
dP/dTscene
400
70
0
100
200
freq 10
n
300
9
400
400
NEP(pW/Hz^1/2)=fct(frequence)
NEPf(pW/Hz^1/2)
NEPb(Tb=300K)
NEPb(Tb=200K)
NEPb(Tb=150K)
5
Figure 11 :
0.087234
Dans le tableau ci-après en régime pulsé, la charge
d’antenne=6000Ω et on suppose pouvoir adapter une
structure d’antenne à cette charge (*), la diode est
pulsée avec un rapport cyclique ½ et à une fréquence
4 fois la bande passante thermique du microbolomètre.
(*) En fait, il s’agit plus qu’une supposition, la
structure faisant l’objet d’un dépôt de brevet
actuellement.
0.1
nep
n
nepf
n
0.01
nepb
n
nepb2
n
3
1 10
nepb1
n
4
9.288582 10 1 10 4
0
100
200
freq 10
n
70
300
9
400
Tableau 1 : En régime statique de la diode :
400
NEP(pW/Hz^1/2)=fct(frequence)
NEPf(pW/Hz^1/2)
NEPb(Tb=300K)
NEPb(Tb=200K)
NEPb(Tb=150K)
NETD
NETD
Tb
Tb
/2
300K
30K
1.7K
2.8K
0.77K
3.4 K
/2
200K
20K
1.2K
1.5K
0.28K
1.9 K
/2
150K
15K
0.9K
1K
0.14K
1.4 K

300K
30K
0.43K
0.7K
0.19K
0.8 K

200K
20K
0.3K
0.38K
0.07K
0.5 K

150K
15K
0.23K
0.25K
0.034K
0.3 K
Figure 12 :
On réalise que la principale limitation d’origine
optique vient de la détection en infrarouge des
bolomètres dans leur environnement à la température
Tb. Puis interviennent des limitations d’origine
phonique et thermométrique du micro bolomètre.
Dans les hypothèses suivantes on présente
quelques résultats de simulation de NEDT
atteignables :
Le flux infra rouge absorbé dans 2π stéradians par
le micro-bolomètre ne dépend que de la température
Tb de son environnement.
Le contraste de scène millimétrique à 300K dépend
du pas, de l’ouverture (f/1), de la bande d’absorption
(de largeur 40GHz).
L’échauffement du bolomètre est principalement
causé par la dissipation joule du thermomètre, on
limite l’élévation de température à 10% de Tb.
Dans le tableau ci-après en régime statique, la
charge d’antenne=1500Ω, la diode est supposée
exempt de bruit 1/f.
NETD
Pas
Thermométrique Phonique
Infra-rouge
NETD total
Tableau 2 : En régime pulsé de la diode :
NETD
NETD
NETD
Thermométrique
Phonique
Infra-rouge
NETD
total
0.65K
1.4K
0.77K
1.7K
0.44K
0.76K
0.28K
0.9K
15K
0.33K
0.49K
0.14K
0.6K
300K
30K
0.16K
0.35K
0.19K
0.43K

200K
20K
0.11K
0.19K
0.07K
0.23K

150K
15K
0.08K
0.12K
0.034K
0.15K
Pas
Tb
Tb
/2
300K
30K
/2
200K
20K
/2
150K

6
Conclusions et perspectives
Bolomètres à antennes
La faisabilité technologique de ce type de matrice
de détection millimétrique à température ambiante a
pu être démontrée au Leti.. L’avantage procuré par la
réalisation d’un plan focal de façon collective peut se
révéler déterminant par rapport à la solution MMIC
pour l’application sécuritaire qui nécessitera avec des
volumes significatifs. Cependant la réalisation de ces
capteurs d’un point de vue industrielle nécessite une
approche différente. Notre objectif est de développer
un bolomètre à antenne en s’appuyant sur la
technologie bolomètre infrarouge. Cette technologie
est actuellement en production chez ULIS qui
commercialise depuis 2003 plusieurs dizaine de
milliers de composant. Le synoptique du pixel est
illustré ci-dessous :
Poutre de suspension
en métal Résistif
=Charge d’antenne
=Résistance thermique
Couplage résistif entre
antenne et thermomètre
Thermomètre
Via
antenne
Cavité λ/p sous
les antennes
Contact
thermomètre
Réflecteur = Bus
Le Leti est à la recherche de partenariat pour cette
développer cette nouvelle technologie dans les
prochaines années, nos concurrents Américains
travaillent d’ores et déjà sur des imageurs THz
passifs.[1]
Réferences :
1- Advances in bolometer based passive imagers
for homeland security and law enforcement. SPIE
defebce & security 2005 vol5778.
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