Détecteurs matriciels pour l’infrarouge

Le silicium est le matériau sur lequel repose toute la technologie des détecteurs matriciels dans le domaine du visible (entre 0,4 et 0,8 μm de longueur d’onde). Il est en effet utilisé aussi bien pour absorber la lumière que pour traiter le signal électrique ainsi généré. À ce jour, l’architecture de lecture dite CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor) s’est imposée pour les applications grand public, même si l’architecture CCD (Charge Coupled Device) reste utilisée pour certaines applications telles que l’astronomie. On trouve couramment des détecteurs matriciels pour le visible de format supérieur au mégapixel (10³ × 10³ pixels). Il est même possible d’aller jusqu’à la centaine de mégapixels sans aboutage (10⁴ × 10⁴ pixels) et jusqu’au gigapixel (10⁹ pixels) par aboutage de plusieurs matrices.

Dans le domaine infrarouge, il n’est plus possible d’utiliser le silicium comme matériau absorbant. En effet, son énergie de bande interdite ou gap est de 1,12 eV à température ambiante, ce qui rend impossible l’absorption de longueurs d’ondes supérieures à 1,11 μm. Il faut donc se tourner vers d’autres matériaux. Les semiconducteurs candidats ne manquent pas, et il existe en conséquence de nombreuses filières technologiques pour l’infrarouge. Ainsi, le concepteur de caméras infrarouge doit, à chaque nouveau développement, se poser la question du choix de la filière de détecteurs qu’il retiendra, sachant que ce choix influencera les performances de la caméra (sensibilité, résolution, portée...), ses caractéristiques (volume, masse, consommation électrique...) et sa mise en œuvre (besoin éventuel en cryogénie, fréquence de rafraîchissement de l’étalonnage...). L’objectif de cet article est de donner au lecteur les informations nécessaires pour réaliser un choix éclairé en matière de détecteur infrarouge pour des applications en imagerie passive. Nous ne traitons pas ici du cas de l’imagerie active qui nécessite l’utilisation d’un laser en régime impulsionnel combiné à un détecteur spécifique.

Nous commençons par rappeler au paragraphe 1 quelques généralités sur l’infrarouge et sur la physique de la détection dans ce domaine spectral. Aux paragraphes 2 et 3, nous présentons les deux grandes familles de détecteurs infrarouge, à savoir les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques. Dans le paragraphe 4, nous passons en revue les fonctions de mérite utilisées pour tenter de comparer leurs performances. Nous expliquons ensuite au paragraphe 5 comment modéliser les performances de la brique détecteur pour l’intégrer à un modèle global de performances d’un instrument infrarouge. Enfin, dans le paragraphe 6, nous présentons un panorama des filières commerciales de détecteurs matriciels et nous concluons sur les tendances actuelles et les évolutions attendues dans les années à venir.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles et des symboles utilisés.