Défis et applications des détecteurs infrarouge refroidis

Défis et applications des
détecteurs infrarouge refroidis
ASPROM
Imagerie infrarouge thermique
jusqu’au millimétrique
Michel VUILLERMET
7 décembre 2010
Sommaire
> Sofradir en 2010
> Les applications et la gamme produits
> Les technologies
> Les challenges
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Sofradir en 2010
> 500 personnes
Fournisseur de détecteurs IR
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Sofradir en 2010
Sofradir
372 p.
CA 2009 = 77,8 M€
40% Thales
40% Sagem
20% Areva
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
4
Sofradir en 2010
DEFIR
Laboratoire R&D
Commun
Sofradir / LETI
SOFRADIR
Cooled infrared detectors
R&D and Production
CEA / LETI
Cooled & Uncooled
Infrared detectors
Basic research
100 p / 4800 m²
(1200 m² CR)
372 p / 8500 m²
(2500 m²CR)
ULIS
Uncooled infrared detectors
R&D and Production
122 p / 4500 m²
(500 m²CR)
600 personnes impliqués dans le
développement et la fabrication de détecteurs IR
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les applications
Militaires
Spatiales
Civiles
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les applications militaires
>
>
Sol
Air
Goggles / Handheld systems
Airborne payloads
and pods, MWS
Surveillance
Fire control systems
>
>
Missile
Marine
Naval Infrared
Search and Track
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les applications spatiales
07/12/2010
*
Observation militaire (observation de la terre, détection de missiles)
*
Scientifiques (observation des planetes et astres)
*
Etudes environnementales de la terre et de l’atmosphère
*
Météorologie
*
...
M. Vuillermet
Company proprietary
Les applications civiles
Spectrométrie
Analyse
de gaz
Recherche
Mesures thermiques
Recherche et
secours aux
personnes
Control de process
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Produits catalogue
Format
JUPITER
(1280 x 1024 / 15 µm)
SATURN
Staring arrays
(1000 x 256 / 30 µm)
URANUS
SCORPIO
SIRIUS
SCORPIO
(640 x 512 / 20 µm)
(640 x 512 / 15 µm)
(640 x 512 / 20 µm)
(640 x 512 / 15 µm)
NEPTUNE
(500 x 256 / 30 µm)
EPSILON
(384 x 288 / 15 µm)
VENUS
(384 x 288 / 25 µm)
MARS
MARS
MARS
MARS
(320 x 256 / 30 µm)
(320 x 256 / 30 µm)
(320 x 256 / 30 µm)
(320 x 256 / 30 µm)
Scanning arrays
07/12/2010
VEGA
(384 x 288 / 25 µm)
SWIR
M. Vuillermet
MERCURY
MERCURY
(480 x 6)
(480 x 6)
PLUTON
PLUTON
(288 x 4)
(288 x 4)
MWIR
Company proprietary
LWIR
VLWIR
Les technologies
HgCdTe module de détection
> HgCdTe LPE ou MBE sur CdZnTe
> n/p et p/n photodiodes
QWIP module de détection
> Réalisés par TRT
> AlGaAs / structure mésa
Circuits de lecture
> Conception Sofradir
> CMOS 0.5 / 0.35 / 0.25 / 0.13 µm
Module de détection
Process d’hybridation
> Technique Flip chip
> Billes d’indium à chaud
Circuit de
lecture (CMOS)
Flip Chip
hybridation
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les technologies
Epitaxie Phase Liquide (EPL)
Epitaxie par Jet Moléculaire (MBE)
3’’ substrate
> 50 dies
640×512 15µm
4’’ substrate
16 dies
640×512
2’’ substrate
HgCdTe / CdZnTe
Taille substrat : 47 x 48 mm
Technologie mature
07/12/2010
M. Vuillermet
HgCdTe / Ge ou CdZnTe
Taille wafer jusqu’à 4”
Augmentation taille substrats
Nécessaire pour multispectral
Excellente uniformité
Company proprietary
Les technologies
Hybridation par refonte de billes d’indium
Micro-billes d’indium
1280×1024 / 15 µm
 Pas pixel de 15 µm en production
 Pas pixel < 15 µm en développement
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les technologies
Refroidisseurs Stirling
intégrés rotatifs
Refroidisseurs Stirling
moteur linéaire
LS5-7i,
K508,
RM2-7i,
Cryotechnologies
Cryotechnologies
LSF
Cryotechnologies
Ricor, L’Air Liquide
Refroidisseurs
Joule-Thomson
Refroidisseurs TEC (Peltier)
200K SWIR
4040
Marlow
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les challenges
Size
Weight
And
Power
… and Price and Performance
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Les challenges
 Réduction du pas pixel / augmentation
format
 Augmentation température de
fonctionnement : HOT
 Nouvelles fonctions
» Multi-spectrale
» Haute sensibilité APD
» Optiques intégrées
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Réduction pas pixel
> Un élément clé pour le système :
*
*
Réduction taille FPA et du système
Augmentation résolution
30
30 µm
30 µm
Pixel pitch
25 µm
20 µm
24 µm
20 µm
20 µm
15 µm
15 µm
MW
15 µm
10 µm
10 - 12 µm
LW
7 - 5 µm
Bi
2000
07/12/2010
2004
M. Vuillermet
2008
2012
Company proprietary
2014
2018
2020
EPSILON – SCORPIO – JUPITER
Une gamme complète au pas de 15 µm
EPSILON MW
SCORPIO MW
JUPITER MW
110 k.pixels
330 k.pixels
1.3 M.pixels
Production
en 2010
07/12/2010
Production
en 2005
M. Vuillermet
Company proprietary
Démarrage
production en 2010
SCORPIO LW 640x512 15µm
Cut off wavelength
9.5 µm typical
Pitch
15 µm × 15 µm
FPA Temperature
80-90 K
Storable charges
13 Me-
dynamic range
Functions
image mode
Technologie MCT p/n :
Gain d’un facteur 100
sur le Iobs. par rapport
technologie n/p
2.8 V
Windowing, Interlaced
Snapshot
revert/invert
Tint and Tlec
# of video outputs
Freq. per output
Shifted (ITR)
4
up to 20 MHz
f/#
f/2 to f/4
typ. NETD
< 25mK
(50% well fill)
07/12/2010
(16mK interlaced)
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs HOT
> Avantages pour produits avec refroidisseur Stirling :
80 K
Refroidisseur
plus petit
0.5 W cooler
5W
550 g
Refroidisseur
identique
0.25 W cooler
3 W (-40%)
350 g
Réduction
dimensions
110 K
0.5 W cooler
3.5 W (-30%)
Fiabilité
Amélioration
+ 40%
fiabilité
07/12/2010
110 K
M. Vuillermet
Company proprietary
Augmentation
autonomie
Réduction
du coût
NETD +/- 100% defects [%]
Defects [%]
1
11.6
11.5
11.4
11.3
11.2
11.1
11
10.9
NETD values [mK]
0.8
0.6
0.48
0.4
0.2
0.95
0.09
0.17
0.25
0
100K
110K
Tfpa [K]
MW Large bande
(5.3 µm) : jusqu’à
120K
120K
130K
Distribution curve - MW 110K
Probability [a.u]
90K
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
07/12/2010
M. Vuillermet
NETD [mK]
Détecteurs HOT
Company proprietary
0.2
0.4
0.6
0.8
Defects percentage [%]
1
Détecteurs HOT
MW Bande bleue (4.2 µm): 120K
Probability [a.u]
Distribution curve - MW 120K
1
0.8
0.6
0.4
0.2
LW (9.5 µm):
Jusqu’à 90 K
0
0
0.1
0.2
0.3
Defects percentage [%]
0.4
Operability LW p-on-n
Operability
100
99.5
99.4
78
90
99
98
97
96
95
Focal Plane temperature [K]
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Detecteurs HOT
Perspectives
Détecteurs
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
HOT
300 K ?
200 K
SW
MW 4.2
120 – 130 K
140 – 150 K
180 K ?
MW 5.3
100 – 110 K
130 – 140 K
160 K ?
LW
90 – 110 K
80 K
99.52%
opérabilité à
130 K en MW
140 K ?
Technologie
p/n ou n/p
Technologie
HOT EJM
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs bispectraux
HgCdTe
HgCdTe / QWIP
Multi couleurs : MW / MW
Multi bandes : MW / LW
Détecteur départ missiles
Missiles
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Camera, FLIR, …
Détecteurs bispectraux
> Structure semi-planar :
> Nb de couches limitées  3 couches MCT, croissance MBE
> Flexible  Optimisation de chaque couche indépendamment
> Intégration simultanée des deux bandes
> Compatible avec APD pour SWIR
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs bispectraux
640 x 512 / 24 µm / MMW
NETD
 MWIR / MWIR Performances :
50
• NETD identiques au mono couleur
30
(mK)
• Opérabilité > 99%
40
BANDE 1
20
MWIR / MWIR
BANDE 2
10
0
115809 115810 115811 115812 115913 115914 115915 115916 115923 115722 115721
N° COMPOSANT
High Quality Material (defects)
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs bispectraux
640 x 512 / 24 µm / MLW
> MWIR : NETD moyenne = 16 mK, opérabilité de 99.7%
> LWIR : NETD moyenne = 30 mK, opérabilité de 98.5%
Bande LWIR
Bande MWIR
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs bispectraux
ALTAIR MLW / 640×512 / 20 µm
TECHNOLOGY
0.25µm Silicon CMOS
COHERENCE
Temporal & Spatial (1/2 pixel shift)
OPERATING MODE
Snapshot, IWR – ITR– DTI
Dual band or Single Band (MW or LW)
INTEGRATION TIME
Simultaneous and independent
WINDOWING MODE
640x480, 320x256, Down to 3x128
CHARGE WELL
Band1 : 4.8 MeBand2 : 16.5 MeSingle Band : 21.4 Me- (MW or LW)
VIDEO OUTPUTS
2 analog per band up to 10 MHz
FRAME RATE
60Hz (TV) @ 10MHz
NON-LINEARITY
< ±1% (10% to 90%)
NOISE FLOOR (B1 & 2)
SNR > 80dB
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Premiers
prototypes
Fin 2010
MW
LW
Détecteurs haute
sensibilité APD
e- x Gain
pixel
10000.0
5300----
Gain
e- amplification
Gain
IR photon
APD CEA-Leti 2006: M (-12.5V, 77K) = 5300
x 300
1000.0
100.0
x 10
N ph  M(Gain) x N e10.0
inoise_ out  2qI in M F
2
- 10 V
1.0
-14.0 -13.0 -12.0 -11.0 -10.0 -9.0
-5V
-8.0
-7.0
-6.0
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
Bias voltage (V)
Bias (V)
Grand gain pratiquement sans addition de bruit
Adapté pour augmenter la performance sous
faible flux
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
0.0
Détecteurs haute
sensibilité APD
Détecteur MWIR (> 5 µm)
SW imagerie laser
MW imagerie passive amplifiée
Constant FPA Q.E
Laser pulse
detection
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs haute
sensibilité APD
320 x 256 / 30 µm :
- Multiplication jusqu’à
x70 à -7V
- Nombre de défauts <
0.25% à -7V
NEPh = 1.8 photon-rms
@ -7V, Tint=100 nsec
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary
Détecteurs haute
sensibilité APD
> Applications :
* Imagerie active laser (1.06 ou 1.55 µm)
* Applications faible flux :

Hyperspectral

Très petits pas pixel

Faible ouverture optique
* Comptage de photons
* Astronomie
07/12/2010
M. Vuillermet
Company proprietary