Système d'imagerie radiométrique passif – MILLIPRISM

Nous avons développé un nouveau type de diodes de détection appelées Heterostructure Low-Barrier Diodes (HLBD). Celles-ci sont constituées par une structure de type nin présentant une barrière de forme triangulaire réalisée par épitaxie par jets moléculaires. Différents échantillons avec des hauteurs de barrière de 0,11 à 0,16 eV ont été réalisés. La hauteur de barrière est en effet un paramètre critique sur la sensibilité et le niveau d’impédance des diodes. Les contacts sur les zones n étant de type ohmique, une étude concernant l’optimisation de ces derniers a été menée afin de diminuer le plus possible la résistance série parasite de la diode afin d’obtenir les fréquences de coupure les plus élevées. En parallèle de cette étude les masques ont été conçus par le partenaire MC2-Technologies. Différentes topologies ont été implémentées : diodes à accès coplanaires pour mesures sous pointes en configuration dipôle et quadripôle, diodes pour report de type « flip-chip ». Ces différentes structures ont été déclinées sous quatre formes : sans adaptation d’impédance et avec adaptation d’impédance pour les fréquences : 90, 150 et 180 GHz.

Le coefficient de réponse des diodes HLBD zéro bias réalisées vaut en moyenne 2 kV/W dans la bande 80-220 GHz sans adaptation d’impédance et jusqu’à 5-6 kV/W à 90 et 175 GHz avec adaptation d’impédance. Le NEP (noise equivalent power) est de l’ordre de 0,6 à 0,7 pW/Hz1/2 à 90 et 175 GHz respectivement. Ces bonnes performances sont de plus obtenues pour des résistances vidéo assez basses de l’ordre de 400 à 800 ohms ce qui facilite l’adaptation d’impédance autant du côté RF que du côté détection. Ces résultats sont à l’état de l’art mondial. Une publication a été soumise concernant ces résultats.

Les HLBD développées dans le projet MILLIPRISM sont actuellement en cours de test chez MC2-Technologies dans des configurations très proches de l'utilisation finale dans une caméra millimétrique. Des résultats encourageants ont été obtenus. A l'issue de ces tests, les perspectives seront définies.

S. Nadar et al., Lampin, High performance heterostructure low barrier diodes for sub-THz detection, submitted to IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology

S. Nadar et al., Sub-THz zero-bias detector with high performances based on heterosctructure low barrier diodes (HLBD), Proceedings of 41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2016, Copenhagen, Denmark, September 25-30, 2016.

J.-F. Lampin et al., Millimeter wave passive radiometric imaging system (MILLIPRISM), WISG Janvier 2014.

J.-F. Lampin et al., Millimeter wave passive radiometric imaging system (MILLIPRISM), WISG Janvier 2015.

M. Thirault et al., High sensitivity zero bias thermoinic diodes with high cut-off frequency for millimeter wave and THz applications, SENSO 2014.

S. Nadar et al., Thermoinic diode based on AlGaInAs heterostructure for millimeter wave detection, 8th THz days April 2015.

S. Nadar et al., Heterostructure low barrier diode with high performances for sub-THz detection, 1ère reunion du GDR NanoTeraMIR (20-23 septembre 2015).

S. Nadar et al., Détecteur sub-THz zéro-bias à base de diode thermoïonique à hétérostructure de faible barrière, 15èmes Journées Nano, Micro et Optoélectroniques, JNMO 2016, Les Issambres, France, 30 mai-1 juin 2016.

Le consortium de recherche PRISM se compose d’un laboratoire de recherche académique ainsi que d’une entreprise. L’objectif est de développer conjointement une caméra radiométrique passive de petite dimension, légère et peu onéreuse. Ce type de caméra permet la détection d’objets cachés sous des vêtements, des tissus, ou derrière n’importe quels types de papiers, de cartons, de plastiques, de bois, de plâtres ou de briques. Cette nouvelle technologie sera essentiellement dédiée à la protection des citoyens et des infrastructures. Un exemple concret concerne les portiques de contrôle d’aéroports. Pour ce type d’application, l’approche passive proposée par la camera est un avantage, car la non émission d’ondes radiatives sera mieux perçue par la population.
La technologie actuelle repose sur une amplification faible bruit avant la détection à 90GHz. Ces amplificateurs présentent plusieurs inconvénients et la caméra gagnerait en coûts, en poids et en taille à ne pas les utiliser. L’objectif du projet PRISM est donc de remplacer le système de détection basé sur des LNA par un système de détection direct basé sur un détecteur ultrasensible.
Pour cela, deux types de détecteurs seront étudiés. Le premier sera une diode de détection thermoïonique non polarisée basé sur une hétérojonction et un gradient de matériaux semi-conducteurs III-V. son profil de dopage pourra facilement être modifié grâce à des variations d’épaisseurs et de compositions. Cette composition sera optimisée dans le but de maximiser la sensibilité de la diode à température ambiante, mais aussi à température cryogénique. Faire fonctionner la diode à température cryogénique est une solution efficace pour améliorer la sensibilité. Ceci sera faisable grâce au fait que la diode ne dissipe presque pas de puissance et qu’il existe déjà de petit système de refroidissement cryogénique.
Le second type de diode qui sera étudié repose sur l’effet avalanche. Ces diodes reposent sur une jonction pn à gap étroit. Elles seront également optimisées pour fournir le maximum de sensibilité, pour les plus petites capacités et résistances de jonction possible.
Dans tous les cas, l’adaptation d’impédance du détecteur sera un point crucial et devra être aussi large que possible en termes de bande passante de façon à encore augmenter la sensibilité du détecteur. Ce circuit sera étudié pour chacune des diodes. L’augmentation de la fréquence de fonctionnement sera également étudié car ce paramètre permet d’augmenter la bande passante et donc de réduire la taille de l’optique de la camera.
L’amplificateur basse fréquence et faible bruit qui suit le détecteur est aussi un point critique dans la réalisation du système. Il sera spécialement optimisé. Une des solutions pour réduire les effets causés par le bruit de cet amplificateur sera d’ajouter un circuit de modulation ainsi qu’une détection synchrone. Un nouveau circuit de modulation électronique sera donc proposé dans le but de réduire le bruit à une valeur proche du bruit émis par le détecteur.
Le consortium dispose d’une grande expérience dans le développement et la conception de composants semi-conducteurs hautes-fréquences ainsi que dans le design, la conception et l’intégration de circuit. Ce projet pourrait aboutir à la production d’un détecteur qui serait utilisé dans la prochaine génération de camera radiométrique passive. Grâce à leurs plus faible poids, prix et taillent elles pourraient être utilisée dans les aéroports, mais aussi sur des zone critique et des évènements ponctuels