WO2017005511A1 - Multichannel spectrometer equipped with a photosensitive layer with a lateral composition gradient - Google Patents

Multichannel spectrometer equipped with a photosensitive layer with a lateral composition gradient Download PDF

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WO2017005511A1
WO2017005511A1 PCT/EP2016/064718 EP2016064718W WO2017005511A1 WO 2017005511 A1 WO2017005511 A1 WO 2017005511A1 EP 2016064718 W EP2016064718 W EP 2016064718W WO 2017005511 A1 WO2017005511 A1 WO 2017005511A1
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photodetectors
column
photosensitive layer
spectrometer
semiconductor alloy
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Jean-Yves Duboz
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Centre National De La Recherche Scientifique Cnrs
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    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • HELECTRICITY
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    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14683Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14694The active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP

Abstract

The present invention relates to a spectrometer (100) comprising: a photosensitive layer made of a semiconductor alloy, which layer is divided into a plurality of photodetectors (110), the photodetectors being organised into at least one column extending in a first direction (210); and a circuit for processing the signals delivered by the photodetectors (110) in response to incident electromagnetic radiation, and wherein the semiconductor alloy of the photosensitive layer has a composition gradient in the first direction (210) so that at least some of the photodetectors (110) of said column have spectral responses to the incident electromagnetic radiation that are shifted in wavelength.

Description

SPECTROMÈTRE MULTICANAL MUNI D'UNE COUCHE PHOTOSENSIBLE À GRADIENT LATÉRAL DE COMPOSITION  MULTI-CHANNEL SPECTROMETER WITH PHOTOSENSITIVE LAYER WITH COMPOSITE LATERAL GRADIENT
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
La présente invention est relative à un spectromètre multicanal, c'est-à-dire un spectromètre permettant de détecter simultanément plusieurs composantes spectrales d'un rayonnement électromagnétique. Plus particulièrement, l'invention concerne un spectromètre comprenant une pluralité de photodétecteurs, en forme de barrette ou de matrice, et dépourvu d'élément dispersif. The present invention relates to a multichannel spectrometer, that is to say a spectrometer for simultaneously detecting several spectral components of electromagnetic radiation. More particularly, the invention relates to a spectrometer comprising a plurality of photodetectors, in the form of a bar or matrix, and devoid of dispersive element.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE STATE OF THE ART
Une technique classique pour analyser le spectre d'un rayonnement électromagnétique consiste à disperser (ou « étaler ») le rayonnement électromagnétique à l'aide d'un élément dispersif, afin de séparer les différentes composantes du spectre, puis à mesurer l'intensité de chaque composante à l'aide d'un détecteur optique. Par exemple, un prisme ou un réseau de diffraction optique peut être utilisé pour disperser la lumière visible. A standard technique for analyzing the spectrum of electromagnetic radiation is to disperse (or "spread") the electromagnetic radiation with the aid of a dispersive element, in order to separate the different components of the spectrum and then to measure the intensity of the electromagnetic radiation. each component using an optical detector. For example, a prism or optical diffraction grating may be used to disperse the visible light.
La détection des composantes spectrales peut être réalisée de façon séquentielle. Une fente isole une composante quasi-monochromatique du spectre dispersé et un photodétecteur unique mesure l'intensité de cette composante. La rotation de l'élément dispersif permet au photodétecteur de recueillir successivement toutes les composantes du spectre. L'inconvénient de cette technique est qu'il faut beaucoup de temps pour mesurer l'ensemble du spectre du rayonnement électromagnétique. Les matrices de photodétecteurs ont permis de réduire drastiquement le temps de mesure d'un spectre électromagnétique. Le rayonnement incident, polychromatique, est toujours dispersé par un élément dispersif mais les faisceaux monochromatiques, issus de l'élément dispersif, sont tous transmis vers la matrice de photodétecteurs. Il n'est donc plus fait usage de la fente et du mécanisme de rotation de l'élément dispersif pour sélectionner un par un les faisceaux. Les photodétecteurs de la matrice sont positionnés de sorte que chaque photodétecteur capte un seul faisceau monochromatique. Ainsi, à chaque photodétecteur correspond un angle d'incidence du faisceau reçu par le photodétecteur, et donc une longueur d'onde (l'angle d'incidence varie de façon monotone avec la longueur d'onde). On peut alors détecter simultanément toutes les longueurs d'onde correspondant à la gamme d'angles disponibles. Plus la matrice de photodétecteurs est étendue, plus la bande des longueurs d'onde détectées est large. Detection of the spectral components can be performed sequentially. A slot isolates a quasi-monochromatic component of the scattered spectrum and a single photodetector measures the intensity of this component. The rotation of the dispersive element allows the photodetector to successively collect all the components of the spectrum. The disadvantage of this technique is that it takes a long time to measure the entire spectrum of electromagnetic radiation. The photodetector arrays have drastically reduced the measurement time of an electromagnetic spectrum. The incident polychromatic radiation is always dispersed by a dispersive element, but the monochromatic beams from the dispersive element are all transmitted to the photodetector array. he no longer use the slot and the rotation mechanism of the dispersive element to select one by one the beams. The photodetectors of the matrix are positioned so that each photodetector captures a single monochromatic beam. Thus, each photodetector corresponds to an angle of incidence of the beam received by the photodetector, and therefore a wavelength (the incidence angle varies monotonically with the wavelength). We can then simultaneously detect all the wavelengths corresponding to the range of available angles. The larger the array of photodetectors, the wider the range of detected wavelengths.
Des spectromètres dépourvus d'élément dispersif ont été développés afin d'en réduire l'encombrement et le poids. Ces spectromètres comprennent également une matrice de photodétecteurs, au-dessus de laquelle est disposé un ensemble de filtres. Chaque photodétecteur est ainsi équipé d'un filtre, afin de capter une partie seulement du spectre. Les filtres ont des fréquences de coupure différentes, de sorte que les photodétecteurs puissent détecter différentes bandes spectrales. Spectrometers devoid of dispersive element have been developed to reduce their size and weight. These spectrometers also comprise a matrix of photodetectors, above which is arranged a set of filters. Each photodetector is thus equipped with a filter, in order to capture only a portion of the spectrum. The filters have different cutoff frequencies, so that the photodetectors can detect different spectral bands.
Le document US5166755 décrit un exemple de spectromètre à filtres, dans lequel les filtres sont de type passe-bande, passe-haut ou passe-bas. Un circuit de traitement associé à la matrice de photodétecteurs calcule l'intensité d'une composante spectrale en réalisant une soustraction des signaux issus de deux photodétecteurs adjacents. On répète ensuite l'opération pour chaque paire de photodétecteurs adjacents afin de déterminer l'ensemble du spectre. Les filtres sont par exemple de type interférentiel. Ils sont constitués d'une alternance de couches diélectriques et métalliques déposées sur la matrice de photodétecteurs et dont les épaisseurs varient selon leur position au sein de la matrice. Leur fabrication est complexe, car chaque filtre a une géométrie particulière, et requiert un grand nombre d'étapes technologiques. Les spectromètres munis de filtres ont donc un coût de fabrication important. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Document US5166755 describes an example of a spectrometer with filters, in which the filters are of the band-pass, high-pass or low-pass type. A processing circuit associated with the photodetector matrix calculates the intensity of a spectral component by subtracting the signals from two adjacent photodetectors. The operation is then repeated for each pair of adjacent photodetectors to determine the entire spectrum. The filters are for example of the interference type. They consist of an alternation of dielectric and metal layers deposited on the matrix of photodetectors and whose thicknesses vary according to their position within the matrix. Their manufacture is complex because each filter has a particular geometry, and requires a large number of technological steps. Spectrometers equipped with filters therefore have a significant manufacturing cost. SUMMARY OF THE INVENTION
Il existe donc un besoin de prévoir un spectromètre compact et léger à moindre coût. Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un spectromètre comprenant : There is therefore a need to provide a compact and lightweight spectrometer at a lower cost. According to the invention, this need is satisfied by providing a spectrometer comprising:
- une couche photosensible en un alliage semi-conducteur divisée en une pluralité de photodétecteurs, les photodétecteurs étant organisés en au moins une colonne s'étendant dans une première direction ; et  a photosensitive layer made of a semiconductor alloy divided into a plurality of photodetectors, the photodetectors being organized in at least one column extending in a first direction; and
- un circuit de traitement de signaux délivrés par les photodétecteurs en réponse à un rayonnement électromagnétique incident ;  a circuit for processing signals delivered by the photodetectors in response to incident electromagnetic radiation;
caractérisé en ce que l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présente un gradient de composition dans la première direction de sorte qu'une partie au moins des photodétecteurs de ladite colonne aient des réponses spectrales au rayonnement électromagnétique incident décalées en longueur d'onde.  characterized in that the semiconductor alloy of the photosensitive layer has a compositional gradient in the first direction such that at least a portion of the photodetectors of said column have spectral responses to incident electromagnetic radiation shifted in wavelength. .
Plutôt que d'utiliser des filtres qui « sélectionnent » des plages restreintes de longueurs d'onde, et donc d'exposer les photodétecteurs sous-jacents à une partie seulement du rayonnement électromagnétique incident, l'invention propose d'agir directement sur la sensibilité des photodétecteurs pour que leur détection soit limitée à ces mêmes plages de longueurs d'onde. Autrement dit, les photodétecteurs du spectromètre selon l'invention sont exposés simultanément à l'ensemble du rayonnement électromagnétique et remplissent eux-mêmes cette fonction de sélection. Rather than using filters that "select" narrow ranges of wavelengths, and thus expose the photodetectors underlying only a portion of the incident electromagnetic radiation, the invention proposes to act directly on the sensitivity photodetectors so that their detection is limited to these same ranges of wavelengths. In other words, the photodetectors of the spectrometer according to the invention are simultaneously exposed to the entire electromagnetic radiation and themselves fulfill this selection function.
Les photodétecteurs appartenant à une même colonne ont des réponses spectrales décalées en longueur d'onde grâce au fait que la composition de l'alliage semiconducteur formant les photodétecteurs varie d'un pixel à l'autre de la colonne. En effet, en faisant varier la composition de l'alliage semi-conducteur, c'est-à-dire en modifiant la répartition entre au moins deux des constituants de l'alliage, on modifie la largeur de la bande interdite du matériau semi-conducteur. Les photodétecteurs de la colonne n'ont donc pas tous le même seuil de détection, i.e. le seuil (en énergie ou en longueur d'onde) à partir duquel les photons du rayonnement électromagnétique sont absorbés par le matériau. Photodetectors belonging to the same column have wavelength-shifted spectral responses due to the fact that the composition of the semiconductor alloy forming the photodetectors varies from one pixel to the other of the column. Indeed, by varying the composition of the semiconductor alloy, that is to say by modifying the distribution between at least two of the constituents of the alloy, the width of the forbidden band of the semi-material is modified. driver. The photodetectors of the column therefore do not all have the same detection threshold, ie the threshold (in energy or in wavelength) from which the photons of the electromagnetic radiation are absorbed by the material.
Grâce à cette colonne de photodétecteurs non-uniforme, on parvient à mesurer les différentes composantes spectrales du rayonnement électromagnétique incident en s'affranchissant des filtres. La fabrication du spectromètre selon l'invention est simplifiée, et par conséquent, moins coûteuse. Thanks to this column of non-uniform photodetectors, it is possible to measure the different spectral components of the incident electromagnetic radiation by dispensing with the filters. The manufacture of the spectrometer according to the invention is simplified, and therefore less expensive.
Avantageusement, l'alliage semi-conducteur est un matériau semi-conducteur à bande interdite directe, de préférence un alliage ternaire lll-V ou ll-VI. Un matériau III- V (respectivement ll-VI) est un alliage d'un ou plusieurs éléments de la colonne III (respectivement II) du tableau de Mendeleïev avec un ou plusieurs éléments de la colonne V (respectivement VI) du tableau de Mendeleïev. Cet alliage est dit ternaire lorsqu'il comprend deux éléments en compétition appartenant à une même colonne (par exemple l'indium (In) et le gallium (Ga) - colonne III) et un troisième élément de l'autre colonne (par exemple l'azote (N) - colonne V). Advantageously, the semiconductor alloy is a direct bandgap semiconductor material, preferably a ternary alloy III-V or II-VI. A III-V material (respectively 11-VI) is an alloy of one or more elements of column III (respectively II) of the Mendeleev table with one or more elements of column V (respectively VI) of the Mendeleev table. This alloy is said to be ternary when it comprises two elements in competition belonging to the same column (for example indium (In) and gallium (Ga) - column III) and a third element of the other column (for example nitrogen (N) - column V).
De préférence, la composition de l'alliage semi-conducteur varie de façon monotone d'une extrémité à l'autre de la colonne de photodétecteurs. Dans un mode de réalisation du spectromètre selon l'invention, les photodétecteurs sont organisés en une matrice comprenant plusieurs colonnes s'étendant dans la première direction et plusieurs rangées s'étendant dans une deuxième direction, l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présentant un gradient de composition dans la première direction pour chaque colonne de photodétecteurs et une composition constante dans la deuxième direction pour chaque rangée de photodétecteurs. Preferably, the composition of the semiconductor alloy varies monotonically from one end to the other of the photodetector column. In one embodiment of the spectrometer according to the invention, the photodetectors are organized in a matrix comprising several columns extending in the first direction and several rows extending in a second direction, the semiconductor alloy of the photosensitive layer. having a compositional gradient in the first direction for each column of photodetectors and a constant composition in the second direction for each row of photodetectors.
Dans une variante de réalisation, les photodétecteurs sont organisés en une matrice comprenant plusieurs colonnes s'étendant dans la première direction et plusieurs rangées s'étendant dans une deuxième direction, l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présentant un gradient de composition dans la première direction pour chaque colonne de photodétecteurs et un gradient de composition dans la deuxième direction pour chaque rangée de photodétecteurs. Le circuit de traitement est avantageusement configuré pour calculer une différence de signaux entre deux photodétecteurs consécutifs de chaque colonne, ce qui permet de déterminer l'intensité de chaque composante du spectre électromagnétique. In an alternative embodiment, the photodetectors are organized into a matrix comprising a plurality of columns extending in the first direction and several rows extending in a second direction, the semiconductor alloy of the photosensitive layer having a composition gradient in the first direction for each column of photodetectors and a composition gradient in the second direction for each row of photodetectors. The processing circuit is advantageously configured to calculate a signal difference between two consecutive photodetectors of each column, which makes it possible to determine the intensity of each component of the electromagnetic spectrum.
De préférence, le circuit de traitement est configuré pour mesurer l'intensité de plusieurs composantes spectrales du rayonnement électromagnétique incident. Preferably, the processing circuit is configured to measure the intensity of several spectral components of the incident electromagnetic radiation.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un spectromètre multicanal selon l'invention ; Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, among which: FIG. 1 represents a first embodiment of FIG. a multichannel spectrometer according to the invention;
- la figure 2 montre les réponses spectrales des photodétecteurs appartenant au spectromètre multicanal de la figure 1 ;  FIG. 2 shows the spectral responses of the photodetectors belonging to the multichannel spectrometer of FIG. 1;
- la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de spectromètre multicanal selon l'invention ;  FIG. 3 represents a second embodiment of multichannel spectrometer according to the invention;
- la figure 4 représente schématiquement une première méthode d'obtention d'une couche photosensible à gradient latéral de composition ; et  FIG. 4 schematically represents a first method for obtaining a photosensitive layer with a lateral gradient of composition; and
- la figure 5 représente schématiquement une deuxième méthode d'obtention d'une couche photosensible à gradient latéral de composition.  - Figure 5 schematically shows a second method for obtaining a photosensitive layer with a lateral gradient of composition.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. For the sake of clarity, identical or similar elements are identified by identical reference signs throughout the figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION DETAILED DESCRIPTION OF AT LEAST ONE EMBODIMENT
Dans la description qui suit, on appelle « barrette » une colonne ou rangée de pixels et « matrice » un agencement défini par plusieurs colonnes et plusieurs rangées de pixels. Chaque pixel constitue un photodétecteur unitaire, ou élément photosensible, capable de mesurer une bande plus ou moins étendue du spectre d'un rayonnement électromagnétique incident. On pourra donc parler indifféremment de barrette/matrice de pixels ou de barrette/matrice de photodétecteurs. In the following description, the term "bar" is used to refer to a column or row of pixels, and "matrix" to an arrangement defined by several columns and several rows of pixels. Each pixel constitutes a unitary photodetector, or photosensitive element, capable of measuring a more or less extended band of the spectrum of incident electromagnetic radiation. We can therefore speak indifferently of bar / matrix of pixels or barrette / matrix of photodetectors.
La figure 1 représente un premier mode de réalisation de spectromètre multicanal 00, dans lequel les différents photodétecteurs 1 10 sont organisés en forme de barrette. La barrette 100 de photodétecteurs 1 10 s'étend ici dans une direction 210 verticale, c'est- à-dire dans la direction des colonnes. FIG. 1 represents a first embodiment of multichannel spectrometer 00, in which the different photodetectors 1 10 are organized in the form of a strip. The strip 100 of photodetectors 1 10 here extends in a vertical direction 210, that is to say in the direction of the columns.
La barrette 100 comprend un nombre M de photodétecteurs 1 10 (dans l'exemple représenté, M = 6). Le photodétecteur de rang n est noté « 1 10n », n étant un nombre entier positif variant de 1 à M. Le photodétecteur de rang n+1 , c'est-à-dire le photodétecteur qui suit le photodétecteur de rang n dans la direction 210, porte la référence « 1 10n+i » . The strip 100 comprises a number M of photodetectors 1 10 (in the example shown, M = 6). The photodetector of rank n is denoted "1 10n", n being a positive integer ranging from 1 to M. The photodetector of rank n + 1, that is to say the photodetector which follows the photodetector of rank n in the direction 210, bears the reference "1 10n + i".
Les photodétecteurs 1 10 de la barrette 100 sont formés à partir d'un substrat sur lequel est déposée une couche photosensible en un alliage semi-conducteur. La couche photosensible constitue la couche active des photodétecteurs 1 10, où se produit l'absorption des photons. The photodetectors 1 10 of the strip 100 are formed from a substrate on which is deposited a photosensitive layer of a semiconductor alloy. The photosensitive layer is the active layer of photodetectors 1 10, where the absorption of photons occurs.
L'alliage semi-conducteur de la couche photosensible comprend au moins deux matériaux semi-conducteurs dont la répartition est susceptible de varier. La couche photosensible est divisée en plusieurs portions, de préférence en y gravant des tranchées 130. Chaque portion ainsi obtenue constitue la zone d'absorption des photons d'un photodétecteur 1 10. Les tranchées 130 sont remplies de matériau diélectrique, afin d'isoler électriquement les photodétecteurs 1 10 les uns des autres. The semiconductor alloy of the photosensitive layer comprises at least two semiconductor materials whose distribution is likely to vary. The photosensitive layer is divided into several portions, preferably by etching trenches 130. Each portion thus obtained constitutes the photon absorption zone of a photodetector 1 10. The trenches 130 are filled with dielectric material, in order to isolate electrically the photodetectors 1 10 from each other.
Les photodétecteurs 1 10 sont, de préférence, constitués de diodes PN, de diodes Schottky (Métal/Semi-conducteur) ou de diodes MSM (Métal/Semi-conducteur/Métal). The photodetectors 1 10 are preferably made of PN diodes, Schottky diodes (Metal / Semiconductor) or MSM diodes (Metal / Semiconductor / Metal).
L'alliage semi-conducteur de la couche photosensible est de préférence un matériau à bande interdite directe, comme la plupart des matériaux semi-conducteurs lll-V ou ll-VI. Dans ce type de matériau semi-conducteur, un photon est absorbé dès que son énergie est supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite du matériau. Par conséquent, un photodétecteur dont la couche active est constituée d'un tel matériau peut uniquement capter des photons d'énergie supérieure à la largeur de bande interdite, soit des rayonnements ayant une longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde, dite de coupure, correspondant à la bande interdite du matériau semiconducteur (à chaque énergie E correspond une longueur d'onde λ, d'après la relation
Figure imgf000008_0001
La composition de l'alliage semi-conducteur au sein de la barrette 00 varie de sorte qu'une partie au moins des photodétecteurs 1 10 aient des longueurs d'onde de coupure différentes. Lorsqu'il est choisi dans la famille des matériaux lll-V et ll-VI, l'alliage semi-conducteur est avantageusement un alliage ternaire comportant deux éléments d'une même colonne de la classification périodique. Ces deux éléments, en compétition l'un avec l'autre, permettent de faire varier la composition de l'alliage semiconducteur en jouant sur leur répartition. Selon le domaine de longueurs d'onde que l'on souhaite détecter, c'est-à-dire selon la nature du rayonnement électromagnétique incident (par exemple ultraviolet, visible, proche infrarouge, infrarouge lointain...), l'alliage ternaire pourra être choisi parmi AlxGa i xN , lnxGai-xN, A Gai xAs, InxGai-xAs, lnxAsi xSb, HgxCdi xTe (certains des alliages cités ont des bandes interdites indirectes pour certaines compositions)...
The semiconductor alloy of the photosensitive layer is preferably a direct bandgap material, like most semiconductor materials III-V or II-VI. In this type of semiconductor material, a photon is absorbed as soon as its energy is greater than or equal to the width of the forbidden band of the material. Consequently, a photodetector whose active layer consists of such a material can only capture photons of energy greater than the forbidden bandwidth, ie radiation having a wavelength less than the wavelength, so-called of cutoff, corresponding to the forbidden band of the semiconductor material (at each energy E corresponds a wavelength λ, according to the relation
Figure imgf000008_0001
The composition of the semiconductor alloy within the array 00 varies so that at least a portion of the photodetectors 110 have different cutoff wavelengths. When chosen from the family of materials III-V and II-VI, the semiconductor alloy is advantageously a ternary alloy comprising two elements of the same column of the periodic table. These two elements, in competition with each other, make it possible to vary the composition of the semiconductor alloy by varying their distribution. According to the wavelength range that one wishes to detect, that is to say according to the nature of the incident electromagnetic radiation (for example ultraviolet, visible, near infrared, far infrared ...), the ternary alloy can be chosen from AlxGa i xN, ln x Gai-xN, A Gai xAs, In x Gai-xAs, ln x Asi xSb, HgxCdi xTe (some of the alloys cited have indirect forbidden bands for certain compositions) ...
La figure 2 représente la réponse spectrale R des photodétecteurs 1 10 de la barrette 100 en fonction de la longueur d'onde λ du rayonnement incident. La réponse spectrale d'un photodétecteur est définie comme le rapport du courant électrique en sortie du photodétecteur (en A.crrr2) sur la puissance du rayonnement électromagnétique en entrée (en W.crrr2), à une longueur d'onde λ donnée. Elle s'exprime donc habituellement en ampère par A.W~1. Sur la figure 2, les réponses spectrales des photodétecteurs 1 10 ont été normalisées et sont donc exprimées en valeur relative. FIG. 2 represents the spectral response R of the photodetectors 1 10 of the strip 100 as a function of the wavelength λ of the incident radiation. The spectral response of a photodetector is defined as the ratio of the electric current at the output of the photodetector (in A.crrr 2 ) to the power of the electromagnetic radiation at the input (in W.crrr 2 ) at a given wavelength λ . It is therefore usually expressed in ampere by AW ~ 1 . In FIG. 2, the spectral responses of photodetectors 1 10 have been normalized and are therefore expressed in relative value.
Comme expliqué précédemment, les photodétecteurs 1 10 ont tous un comportement de type passe-bas en longueur d'onde : la réponse spectrale R(A) de chaque photodétecteur 1 10 est maximale (R=1 ) pour les longueurs d'onde λ inférieures à la longueur d'onde de coupure AG. Pour des longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde de coupure AG, la réponse spectrale R(A) des photodétecteurs 1 1 0 décroit brusquement. Par exemple, pour une couche photosensible en ALGai-xN , l'intensité du courant électrique en sortie des photodétecteurs 1 10 est divisée par 10 tous les 8 nm de longueur d'onde après la longueur d'onde de coupure AG. As explained above, the photodetectors 1 10 all have a wavelength low-pass behavior: the spectral response R (A) of each photodetector 1 10 is maximum (R = 1) for the wavelengths λ less than the cut-off wavelength AG. For wavelengths longer than the cut-off wavelength AG, the spectral response R (A) of the photodetectors 1 1 0 decreases sharply. For example, for a photosensitive layer of ALGai-xN, the intensity of the electric current at the output of the photodetectors 110 is divided by every 8 nm wavelength after the cut-off wavelength AG.
Comme cela est illustré sur la figure 2, les photodétecteurs 1 10 de la barrette 100 ont de préférence des longueurs d'onde de coupure toutes différentes. La longueur d'onde de coupure des photodétecteurs varie en outre de façon monotone d'une extrémité à l'autre de la barrette 100. Par exemple, le photodétecteur 1 1 On (de rang n) a une longueur d'onde de coupure Acn inférieure à la longueur d'onde de coupure Acn+i du photodétecteur 1 10n+i (de rang n+1 ), quelle que soit la valeur de n. En dehors de la longueur d'onde de coupure AG, les réponses spectrales R(A) sont, de préférence, sensiblement identiques d'un photodétecteur à l'autre. Elles sont donc simplement décalées les unes des autres en abscisse, selon l'axe des longueurs d'onde A (figure 2). L'extraction des différentes bandes spectrales du rayonnement électromagnétique incident s'effectue au moyen d'un circuit de traitement, qui soustrait les signaux des photodétecteurs de la colonne, par groupe de deux pixels consécutifs ayant un gradient de composition. Le courant électrique du photodétecteur de rang n pour un rayonnement de flux φ en fonction de longueur d'onde À est donné ar la relation suivante :
Figure imgf000009_0001
As illustrated in FIG. 2, the photodetectors 110 of the array 100 preferably have different cut-off wavelengths. The cut-off wavelength of the photodetectors also varies monotonically from one end to the other of the strip 100. For example, the photodetector 1 1 On (of rank n) has a cut-off wavelength Acn less than the cut-off wavelength Acn + i of the photodetector 1 10n + i (of rank n + 1), whatever the value of n. Outside the cut-off wavelength AG, the spectral responses R (A) are preferably substantially identical from one photodetector to the other. They are therefore simply offset from each other in abscissa, along the axis of wavelengths A (Figure 2). The extraction of the different spectral bands of the incident electromagnetic radiation is effected by means of a processing circuit, which subtracts the signals from the photodetectors of the column, in groups of two consecutive pixels having a composition gradient. The electrical current of the photodetector of rank n for a flux radiation φ as a function of wavelength λ is given by the following relation:
Figure imgf000009_0001
où Rn (À) est la réponse spectrale du photodétecteur de rang n. De la même façon, le courant électrique du photodétecteur de rang n+1 s'écrit
Figure imgf000010_0001
where R n (λ) is the spectral response of the photodetector of rank n. In the same way, the electrical current of the photodetector of rank n + 1 is written
Figure imgf000010_0001
où Rn+ 1 (À) est la réponse spectrale du photodétecteur de rang n+1 . La différence entre les courants de deux pixels consécutifs vaut donc : where R n + 1 (λ) is the spectral response of the photodetector of rank n + 1. The difference between the currents of two consecutive pixels is therefore:
'ri+1 n n+1 ) - ?Tl(A)) 0(A)d l'ri + 1 n n + 1) -? Tl (A)) 0 (A) dl
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
Sachant, comme décrit ci-dessus en relation avec la figure 2, que les réponses spectrales de deux pixels consécutifs sont juste décalées en longueur d'onde d'un écart Αλ, tel que Rn+ Ï (A) = Rn(À + Δλ) , l'équation précédente devient : Knowing, as described above in connection with FIG. 2, that the spectral responses of two consecutive pixels are just wavelength shifted by a difference λλ, such that R n + λ (A) = R n (λ + Δλ), the previous equation becomes:
f fdRn(X)f f dR n (X)
ln = J A» + X) - RnW) φ(Χ)άλ = J — -jj—. Δλ. φ(Χ)άλ l n = JA "+ X) - R n W) φ (Χ) άλ = J - -jj-. Δλ. φ (Χ) άλ
En première approximation, la réponse spectrale Rn (À) du photodétecteur 1 1 On peut être assimilée à une fonction de Heaviside H (À), c'est-à-dire une fonction telle que H = 1 pour A ≤ ÀGn et // = 0 pour λ > ÀGn, ÀGn étant la longueur d'onde de coupure du photodétecteur de rang n. La dérivée de la fonction de Heaviside H(À) est une impulsion de Dirac δ(λ) centrée sur la longueur d'onde de coupure ÀGn. On obtient alors : ln = Αλ. φ(Χ)άλ = ΔΑ. φ(λ)As a first approximation, the spectral response R n (λ) of the photodetector 1 1 can be assimilated to a Heaviside function H (λ), that is to say a function such that H = 1 for A ≤ Gn and // = 0 for λ> At Gn , where Gn is the cut-off wavelength of the photodetector of rank n. The derivative of the Heaviside H (A) function is a Dirac pulse δ (λ) centered on the cut-off wavelength λn . We obtain then: l n = Αλ. φ (Χ) άλ = ΔΑ. φ (λ )
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0003
où φ(λ) est le flux reçu par le pixel n à la longueur d'onde de coupure ÀGn. where φ (λ ) is the flux received by the pixel n at the cut-off wavelength λn .
Avec cette approximation, le circuit de traitement calcule donc une valeur moyenne du flux reçu par le pixel n dans une plage de longueur d'onde comprise entre XGn et ÀGn+ 1 , c'est-à-dire sur une plage de largeur AÀ. L'écart AÀ définit également la résolution spectrale du spectromètre. Il dépend du gradient de composition de l'alliage semi- conducteur dans la direction verticale 210 et de l'écart entre deux pixels consécutifs de la barrette 100. Ainsi, pour un même gradient de composition, plus le nombre de pixels dans la barrette 100 est grand, plus le paramètre de résolution AÀ est faible (et donc plus le pouvoir de séparation du spectromètre est fort). With this approximation, the processing circuit therefore calculates an average value of the flux received by the pixel n in a wavelength range between X Gn and À Gn + 1 , that is to say over a range of width AÀ. . The gap AÀ also defines the spectral resolution of the spectrometer. It depends on the compositional gradient of the semiconductor alloy in the vertical direction 210 and the difference between two consecutive pixels of the strip 100. Thus, for the same composition gradient, the greater the number of pixels in the bar 100 is large, the lower the resolution parameter AÀ (and therefore the greater the separation power of the spectrometer is strong).
Plutôt qu'une fonction de Heaviside, on peut considérer une réponse spectrale Rn (À) ayant une coupure moins abrupte, par exemple une fonction caractérisée par une décroissance exponentielle pour les longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde de coupure telle que : Rather than a Heaviside function, we can consider a spectral response R n (A) having a less abrupt cut, for example a function characterized by an exponential decay for wavelengths greater than the cut-off wavelength than :
Rn(X) = 1 pour A < XGn ; R n (X) = 1 for A <X Gn ;
Rn{X) = exp (-^γή pour AGn < λ≤ XGn + 2β ; et R n {X) = exp (- ^ γή for A Gn <λ X X Gn + 2β, and
Rn(X) ~ 0 pour A > ÀGn + 2β ; R n (X) ~ 0 for A> At Gn + 2β;
où 2β désigne la largeur de coupure ( η(2β) = 1/e2) et vaut typiquement quelques nanomètres (pour l'AIGaN, 2β=8 nm). where 2β denotes the cutoff width ( η (2β) = 1 / e 2 ) and is typically a few nanometers (for AIGaN, 2β = 8 nm).
Dans ce cas, la différence des signaux entre deux pixels consécutifs vaut : In this case, the difference of the signals between two consecutive pixels is:
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
On voit alors que le circuit de traitement intègre le flux lumineux sur une bande spectrale allant de ÀGn à ÀGn + 2β. Par conséquent, il est inutile de choisir un paramètre de résolution AÀ inférieur à 2β, car la différence des signaux intègre le flux sur une largeur égale à 2β, même si AÀ est plus petit. Dans ce cas, ce n'est pas AÀ qui limite la résolution mais 2β. Au mieux, le paramètre de résolution spectrale AÀ sera choisi égal à 2β. Ceci illustre l'intérêt d'avoir des matériaux avec des coupures abruptes, d'où l'utilisation préférée des semiconducteurs à bande interdite directe. One then sees that the processing circuit integrates the light flux over a spectral band ranging from TO to Gn to Gn + 2β. Therefore, it is useless to choose a resolution parameter AÀ less than 2β, because the difference of the signals integrates the flux over a width equal to 2β, even if AÀ is smaller. In this case, it is not A that limits the resolution but 2β. At best, the spectral resolution parameter Δλ will be chosen equal to 2β. This illustrates the value of having materials with abrupt cuts, hence the preferred use of direct bandgap semiconductors.
En remplaçant le flux φ(Χ) par sa valeur moyenne < φ(λ) > sur une largeur AÀ entre ÀGn et ÀGn + 2β , on obtient : άΙη = άλ Αλ. < φ(λ) >
Figure imgf000012_0001
By replacing the flux φ (Χ) by its mean value <φ (λ)> over a width AÀ between Gn and Gn + 2β, we obtain: άΙ η = άλ Αλ. <φ (λ)>
Figure imgf000012_0001
Lorsque le flux est constant, on obtient donc la même valeur qu'avec la première approximation, avec la restriction que le paramètre de résolution spectrale Αλ est limité à 2β (soit 8 nm dans le cas de l'AIGaN). When the flux is constant, we thus obtain the same value as with the first approximation, with the restriction that the spectral resolution parameter Αλ is limited to 2β (ie 8 nm in the case of AIGaN).
En répétant ce calcul pour chaque paire de pixels consécutifs de la colonne, le circuit de traitement est capable de déterminer l'intensité de chaque bande spectrale (de largeur Αλ) entre les deux longueurs d'onde de coupure extrêmes de la colonne, AG 1 et ÀGM . By repeating this calculation for each pair of consecutive pixels of the column, the processing circuit is able to determine the intensity of each spectral band (of width Αλ) between the two extreme cut-off wavelengths of the column, A G 1 and GM .
Avec le système lnxGai-xN par exemple, il est facile d'obtenir des fréquences de coupure variant de 400 nm à 500 nm, en faisant varier la concentration x d'indium (In) de 7 % à 20 % environ. Avec le système A Gai xN, les longueurs d'onde de coupure atteignables sans rencontrer de difficultés de fabrication sont comprises entre 250 nm et 350 nm, soit une concentration x d'aluminium (Al) variant de 70 % à 0 % environ. Etant donné que le paramètre de résolution spectrale AÀ est limité à 8 nm, une ou deux dizaines de pixels environ sont suffisantes pour balayer les plages de longueurs d'onde ci-dessus. For example, with the ln x Gai × N system, it is easy to obtain cutoff frequencies ranging from 400 nm to 500 nm, by varying the indium (In) concentration x from about 7% to about 20%. With the A Gai xN system, cut-off wavelengths that can be reached without encountering manufacturing difficulties are between 250 nm and 350 nm, a concentration x of aluminum (Al) varying from 70% to approximately 0%. Since the spectral resolution parameter Δλ is limited to 8 nm, about one or two tens of pixels are sufficient to scan the above wavelength ranges.
A défaut de pouvoir diminuer le paramètre de résolution spectrale Αλ, la barrette 00 peut contenir un plus grand nombre de pixels afin d'augmenter la qualité du signal du spectromètre. Ces pixels sont avantageusement répartis en groupe de pixels consécutifs ayant sensiblement la même longueur d'onde de coupure. La différence des courants électriques, pour l'extraction des différentes bandes spectrale, s'effectue alors non plus entre deux pixels consécutifs de la colonne, mais entre deux groupes de pixels adjacents. Elle porte sur les sommes de courants électriques des pixels appartenant à un même groupe. If it is not possible to reduce the spectral resolution parameter Αλ, the array 00 may contain a larger number of pixels in order to increase the quality of the spectrometer signal. These pixels are advantageously distributed in a group of consecutive pixels having substantially the same cut-off wavelength. The difference of the electric currents, for the extraction of the different spectral bands, is then no longer between two consecutive pixels of the column, but between two groups of adjacent pixels. It deals with the sums of electric currents of the pixels belonging to the same group.
A titre d'exemple, la barrette 100 peut comprendre 128 pixels ayant une superficie de 50x50 μηι2. Elle mesure alors 6,4 mm en longueur, sans tenir compte de l'espacement entre les pixels (tranchées 130). Comme son épaisseur est du même ordre de grandeur que celle du substrat sur laquelle elle est formée, de quelques centaines de micromètres, la barrette 100 occupe un volume très réduit. By way of example, the strip 100 may comprise 128 pixels having an area of 50x50 μηι 2 . It then measures 6.4 mm in length, without taking into account the spacing between the pixels (trenches 130). As its thickness is of the same order of magnitude as that of the substrate on which it is formed, of a few hundred micrometers, the bar 100 occupies a very small volume.
Dans le spectromètre multicanal de la figure 1 , le rayonnement éclaire l'ensemble des pixels de la colonne. Un pixel ne reçoit donc qu'une fraction du flux lumineux total φ(0( (λ), cette fraction étant égale à —. φ(0( (λ) (M est le nombre de In the multichannel spectrometer of FIG. 1, the radiation illuminates all the pixels of the column. A pixel thus receives only a fraction of the total luminous flux φ (0 ( (λ), this fraction being equal to -. Φ (0 ( (λ) (M is the number of
M  M
photodétecteurs dans la barrette). Le courant produit par ce pixel est alors proportionnel à : photodetectors in the bar). The current produced by this pixel is then proportional to:
A l'inverse, dans un spectromètre matriciel classique doté d'un élément dispersif, l'intégralité du flux lumineux à une longueur λ arrive sur un seul photodétecteur après avoir traversé l'élément dispersif. Le courant électrique produit par ce photodétecteur est proportionnel à : Conversely, in a conventional matrix spectrometer equipped with a dispersive element, the entire luminous flux at a length λ arrives on a single photodetector after passing through the dispersive element. The electric current produced by this photodetector is proportional to:
TF. <ptot(X). AA TF. <p tot (X). AA
où TF est le facteur de transmission de l'élément dispersif. where TF is the transmittance of the dispersive element.
Ainsi, pour déterminer lequel des deux spectromètres a le meilleur rapport signal/bruit, le ratio 1/M doit être comparé au facteur de transmission TF. Le facteur de transmission d'un système dispersif peut être grand (une fraction d'unité) et donc supérieure à 1/M dès que M est supérieure à une dizaine environ. Le rapport signal/bruit sera donc moins bon dans le spectromètre multicanal de l'invention, à résolution spectrale comparable. Toutefois, les spectromètres matriciels avec dispersion sont généralement conçus pour des fortes résolutions et donc des pixels de petites tailles, et sont par conséquent plus coûteux à produire que le spectromètre selon l'invention. Thus, to determine which of the two spectrometers has the best signal-to-noise ratio, the ratio 1 / M should be compared to the transmission factor TF. The transmission factor of a dispersive system can be large (a fraction of a unit) and therefore greater than 1 / M as soon as M is greater than about ten. The signal / noise ratio will therefore be less good in the multichannel spectrometer of the invention, with comparable spectral resolution. However, dispersion matrix spectrometers are generally designed for high resolutions and therefore small pixels, and are therefore more expensive to produce than the spectrometer according to the invention.
Si l'on compare le spectromètre selon l'invention avec un spectromètre monocanal utilisant la dispersion et une fente, le facteur de transmission TF correspond au système dispersif et à la fente, et peut toujours être plus grand que M. L'avantage du spectromètre de l'invention est dans ce cas de mesurer simultanément tout le spectre alors que le système dispersif monocanal le mesure séquentiellement et doit limiter son temps d'acquisition à chaque longueur d'onde. La quantité de signal plus faible en sortie du spectromètre de l'invention peut être aisément compensée par un temps d'acquisition plus long, arrivant ainsi à des rapports signal/bruit équivalents. Comparing the spectrometer according to the invention with a single-channel spectrometer using dispersion and slot, the transmission factor TF corresponds to the dispersive system and to the slot, and can always be larger than M. The spectrometer of the invention is in this case to simultaneously measure the entire spectrum while the single-channel dispersive system measures it sequentially and must limit its acquisition time at each wavelength. The lower signal amount at the output of the spectrometer of the invention can be easily compensated for by a longer acquisition time, thus arriving at equivalent signal-to-noise ratios.
La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du spectromètre multicanal permettant d'augmenter le rapport signal/bruit du spectromètre (si l'on souhaite par exemple conserver une grande rapidité de mesure). Dans ce deuxième mode de réalisation, les photodétecteurs 1 10 sont agencés en matrice 300. Les colonnes i de la matrice 300, ici au nombre de 6, s'étendent dans la direction verticale 210 alors que les rangées j de la matrice, également au nombre de 6, s'étendent dans la direction horizontale 220. FIG. 3 represents a second embodiment of the multichannel spectrometer making it possible to increase the signal / noise ratio of the spectrometer (if it is desired, for example, to maintain a high speed of measurement). In this second embodiment, the photodetectors 1 10 are arranged in matrix 300. The columns i of the matrix 300, here 6 in number, extend in the vertical direction 210 whereas the rows j of the matrix, also at the number of 6, extend in the horizontal direction 220.
Comme précédemment, les photodétecteurs 1 10 de la matrice 300 sont tous formés en découpant une couche photosensible présentant un gradient latéral de composition, ici dans la direction 210 des colonnes. Plusieurs photodétecteurs appartenant à chaque colonne ont des réponses spectrales décalées en longueurs d'ondes, comme cela a été décrit précédemment, notamment en relation avec la figure 2. Par contre, dans la direction 220 des rangées, la composition de l'alliage semiconducteur formant les photodétecteurs 1 10 est avantageusement constante. Ainsi, les colonnes i de la matrice 300 sont identiques entre elles. As before, the photodetectors 1 10 of the matrix 300 are all formed by cutting a photosensitive layer having a lateral gradient of composition, here in the direction 210 of the columns. Several photodetectors belonging to each column have spectral responses shifted in wavelengths, as has been described previously, in particular in relation with FIG. 2. On the other hand, in the direction 220 of the rows, the composition of the semiconductor alloy forming the photodetectors 1 10 is advantageously constant. Thus, the columns i of the matrix 300 are identical to each other.
Une telle configuration permet d'augmenter la qualité du signal représentant chaque bande spectrale, car la différence entre deux pixels consécutifs (ayant des longueurs d'onde de coupure différentes) peut être moyennée sur plusieurs colonnes. On améliore ainsi le rapport signal/bruit du spectromètre. Le spectromètre en forme de matrice 300 présente en outre l'avantage de pouvoir être utilisé simultanément pour une analyse spectrale dans la direction 210 des colonnes et pour une analyse géométrique dans la direction 220 des rangées, autrement dit en tant qu'imageur (visible, infrarouge... , selon la nature de l'alliage semi-conducteur). Dans un troisième mode de réalisation non représentée sur les figures, la matrice de photodétecteurs 1 10 présente non seulement un gradient de composition dans la direction 210, mais également un gradient de composition dans la direction 220. Such a configuration makes it possible to increase the quality of the signal representing each spectral band, because the difference between two consecutive pixels (having different cut-off wavelengths) can be averaged over several columns. This improves the signal / noise ratio of the spectrometer. The matrix-shaped spectrometer 300 also has the advantage of being able to be used simultaneously for a spectral analysis in the column direction 210 and for a geometrical analysis in the row direction 220, that is to say as a (visible, infrared ..., depending on the nature of the semiconductor alloy). In a third embodiment not shown in the figures, the photodetector array 1 10 has not only a composition gradient in the direction 210, but also a compositional gradient in the direction 220.
La couche photosensible en alliage semi-conducteur peut être obtenue par des techniques d'épitaxie connues, en particulier l'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE, pour « Molecular Beam Epitaxy » en anglais) et l'épitaxie en phase vapeur. Selon la nature du matériau épitaxié, le substrat sur lequel est déposée la couche photosensible peut être en InP, GaAs, silicium ou saphir. En général, lorsqu'on fait croître une couche d'un alliage ternaire par épitaxie, lors de la fabrication d'un détecteur infrarouge par exemple, on cherche à éviter les gradients de composition. Au contraire, pour fabriquer le spectromètre selon l'invention, le réacteur d'épitaxie est configuré pour favoriser l'obtention d'un gradient de composition. The photosensitive layer made of a semiconductor alloy can be obtained by known epitaxy techniques, in particular molecular beam epitaxy (or MBE), and vapor phase epitaxy. Depending on the nature of the epitaxial material, the substrate on which the photosensitive layer is deposited may be InP, GaAs, silicon or sapphire. In general, when growing a layer of a ternary alloy by epitaxy, during the manufacture of an infrared detector, for example, it is sought to avoid composition gradients. In contrast, to manufacture the spectrometer according to the invention, the epitaxial reactor is configured to promote the production of a composition gradient.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement deux configurations de réacteur d'épitaxie 400 permettant d'obtenir un gradient de composition latéral dans la couche photosensible. L'alliage ternaire formé est, dans cet exemple, lnxGai xN. Sur la figure 4, le réacteur 400 comprend trois sources 401 , 402 et 403 contenant respectivement les éléments In, Ga et N. Pour que les éléments In et G a aient des concentrations (respectivement x et 1 -x) variant latéralement dans des sens opposés sur le substrat 410, les sources 401 et 402 sont inclinées par rapport à la direction normale 420 au substrat 410, respectivement à gauche et à droite. Du fait de l'inclinaison de la source 401 , le flux d'indium est plus important sur la partie gauche du substrat 410 que sur sa partie droite. Inversement, la source 402 étant inclinée dans l'autre sens, le flux de gallium arrivant sur le substrat 410 est plus important sur la droite que sur la gauche du substrat 410. Il en résulte que la couche photosensible possède une concentration d'indium x plus élevée à gauche qu'à droite et inversement pour la concentration de gallium 1 -x. La source d'azote 403 est avantageusement dirigée dans la direction 420, i.e. perpendiculairement au substrat 410. Figures 4 and 5 show schematically two epitaxial reactor configurations 400 for obtaining a lateral composition gradient in the photosensitive layer. The ternary alloy formed is, in this example, ln x Gai xN. In FIG. 4, the reactor 400 comprises three sources 401, 402 and 403 respectively containing the elements In, Ga and N. So that the elements In and Ga have concentrations (respectively x and 1-x) that vary laterally in directions. opposed on the substrate 410, the sources 401 and 402 are inclined relative to the normal direction 420 to the substrate 410, respectively left and right. Due to the inclination of the source 401, the indium flux is greater on the left side of the substrate 410 than on its right side. Conversely, the source 402 being inclined in the other direction, the gallium flow arriving on the substrate 410 is greater on the right than on the left of the substrate 410. As a result, the photosensitive layer has an indium concentration x higher on the left than on the right and vice versa for the concentration of gallium 1 -x. The nitrogen source 403 is advantageously directed in the direction 420, ie perpendicular to the substrate 410.
Dans la configuration de la figure 5, les trois sources sont regroupées autour de la direction normale 420, de sorte que les flux soient sensiblement perpendiculaires au substrat 410. Dans ce cas, le gradient de composition provient non pas des différences de flux, mais du fait que le substrat est soumis à un gradient de température, par exemple au moyen d'un porte-substrat chauffant. En effet, certains éléments ne s'incorporent pas avec la même efficacité suivant la température. Par exemple, l'indium (In) s'incorpore moins vite lorsque la température est élevée. In the configuration of Figure 5, the three sources are grouped around the normal direction 420, so that the fluxes are substantially perpendicular to the substrate 410. In this case, the composition gradient does not come from differences in flux, but because the substrate is subjected to a temperature gradient, for example by means of a heating substrate holder. Indeed, some elements do not incorporate with the same efficiency depending on the temperature. For example, indium (In) is incorporated less quickly when the temperature is high.
Ainsi, si le substrat 410 présente une augmentation latérale de température 430, de la gauche vers la droite dans l'exemple de la figure 5, la partie droite du substrat 410 est moins riche en indium que sa partie gauche (et, par voie de conséquence, la partie droite du substrat est plus riche en gallium que sa partie gauche). Thus, if the substrate 410 has a lateral temperature increase 430, from left to right in the example of FIG. 5, the right part of the substrate 410 is less rich in indium than its left part (and, by way of consequently, the right part of the substrate is richer in gallium than its left part).
Dans l'une ou l'autre de ces configurations, le substrat 410 peut être immobile ou entraîné en rotation pendant la croissance, selon qu'on souhaite un gradient de composition dans une seule direction (cas de la barrette 100 ou de la matrice 300 par exemple) ou dans plusieurs directions (les directions 210 et 220 par exemple). Lorsque le substrat 410 tourne sur lui-même à 360° à vitesse constante, il est possible d'obtenir un gradient de composition ayant une symétrie de révolution. Le spectromètre multicanal décrit ci-dessus peut répondre, avec une résolution spectrale comprise généralement entre 5 nm et 8 nm, à de nombreux besoins. Dans le domaine de l'infrarouge par exemple, il peut servir à la mesure de température d'un objet ou d'une flamme. La mesure classique de température consiste à mesurer l'émission optique de l'objet à deux longueurs d'onde différentes, puis à en déduire sa température à l'aide de la loi d'émission du corps noir. Or la mesure classique est souvent faussée, car l'émissivité du corps peut varier entre les deux longueurs d'onde. La mesure complète du spectre dans l'infrarouge, grâce au spectromètre multicanal selon l'invention, permet de fiabiliser cette mesure de température. Un autre exemple d'application consiste à analyser le spectre du rayonnement produit par une flamme, afin d'en déduire les produits de combustion, ou le spectre visible d'un rayonnement transmis par des objets en verre, dans le but de les trier par couleur. Le spectromètre multicanal permet également de repérer une raie laser et de déterminer la longueur d'onde de cette raie (au paramètre de résolution AÀ près). Du fait qu'en pratique la réponse spectrale des photodétecteurs décroit exponentiellement après la fréquence de coupure, plusieurs pixels émettront un signal en réponse à la raie laser (leur nombre dépend de la résolution spectrale). Un calcul semblable à celui décrit précédemment permettra d'obtenir une signature caractéristique de la raie. In one or the other of these configurations, the substrate 410 can be immobile or rotated during growth, depending on whether a composition gradient is desired in a single direction (in the case of the strip 100 or the matrix 300 for example) or in several directions (the directions 210 and 220 for example). When the substrate 410 turns on itself at 360 ° at a constant speed, it is possible to obtain a composition gradient having a symmetry of revolution. The multichannel spectrometer described above can respond, with a spectral resolution generally between 5 nm and 8 nm, to many needs. In the field of the infrared for example, it can be used to measure the temperature of an object or a flame. The classical measurement of temperature consists in measuring the optical emission of the object at two different wavelengths, and then in deducing its temperature using the emission law of the black body. But the classical measurement is often distorted, because the emissivity of the body can vary between the two wavelengths. The complete measurement of the spectrum in the infrared, thanks to the multichannel spectrometer according to the invention, makes this measurement of temperature reliable. Another example of application is to analyze the spectrum of the radiation produced by a flame, in order to deduce the products of combustion, or the visible spectrum of radiation transmitted by glass objects, for the purpose of sorting them by color. The multichannel spectrometer also makes it possible to locate a laser line and to determine the wavelength of this line (with the resolution parameter AÀ near). Since in practice the spectral response of the photodetectors decreases exponentially after the cutoff frequency, several pixels will emit a signal in response to the laser line (their number depends on the spectral resolution). A calculation similar to that described previously will make it possible to obtain a characteristic signature of the line.
De nombreuses variantes et modification du spectromètre multicanal apparaîtront à l'homme du métier. L'alliage semi-conducteur des photodétecteurs pour être un matériau différent des matériaux lll-V et ll-VI, et notamment un matériau semiconducteur à gap indirect, comme l'alliage SixGei-x. Les matériaux à gap direct sont toutefois préférés, car ils ont une meilleure sensibilité que les matériaux gap indirect. En outre, le traitement des signaux est simplifié dans le cas des matériaux à gap direct, car leur mécanisme d'absorption ne fait pas intervenir de phonons et est plus abrupte, ce qui conduit à une meilleure résolution spectrale. Many variations and modifications of the multichannel spectrometer will be apparent to those skilled in the art. The semiconductor alloy of the photodetectors to be a material different from the materials III-V and II-VI, and in particular an indirect gap semiconductor material, such as the Si x Gei- x alloy. Direct gap materials are preferred, however, because they have better sensitivity than indirect gap materials. In addition, signal processing is simplified in the case of direct gap materials because their absorption mechanism does not involve phonons and is steeper, leading to better spectral resolution.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Spectromètre (100, 300) comprenant : 1. A spectrometer (100, 300) comprising:
- une couche photosensible en un alliage semi-conducteur divisée en une pluralité de photodétecteurs (1 10), les photodétecteurs étant organisés en au moins une colonne s'étendant dans une première direction (210) ; et  a photosensitive layer made of a semiconductor alloy divided into a plurality of photodetectors (1 10), the photodetectors being organized into at least one column extending in a first direction (210); and
- un circuit de traitement de signaux délivrés par les photodétecteurs (1 10) en réponse à un rayonnement électromagnétique incident ;  a signal processing circuit delivered by the photodetectors (1 10) in response to incident electromagnetic radiation;
caractérisé en ce que l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présente un gradient de composition dans la première direction (210) de sorte qu'une partie au moins des photodétecteurs (1 10) de ladite colonne aient des réponses spectrales (R(A)) au rayonnement électromagnétique incident décalées en longueur d'onde.  characterized in that the semiconductor alloy of the photosensitive layer has a composition gradient in the first direction (210) so that at least a portion of the photodetectors (1 10) of said column have spectral responses (R ( A)) to incident electromagnetic radiation shifted in wavelength.
2. Spectromètre selon la revendication 1 , dans lequel l'alliage semi-conducteur est un matériau semi-conducteur à bande interdite directe. The spectrometer of claim 1, wherein the semiconductor alloy is a direct bandgap semiconductor material.
3. Spectromètre selon la revendication 2, dans lequel l'alliage semi-conducteur est un alliage ternaire lll-V ou ll-VI. 3. The spectrometer according to claim 2, wherein the semiconductor alloy is a ternary alloy III-V or II-VI.
4. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la composition de l'alliage semi-conducteur varie de façon monotone d'une extrémité à l'autre de ladite colonne de photodétecteurs (1 10). The spectrometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the composition of the semiconductor alloy varies monotonically from one end to the other of said column of photodetectors (1 10).
5. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les photodétecteurs (100) sont organisés en une matrice (300) comprenant plusieurs colonnes (i) s'étendant dans la première direction (210) et plusieurs rangées (j) s'étendant dans une deuxième direction (220), l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présentant un gradient de composition dans la première direction (210) pour chaque colonne (i) de photodétecteurs et une composition constante dans la deuxième direction (220) pour chaque rangée (j) de photodétecteurs. The spectrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the photodetectors (100) are organized into a matrix (300) comprising a plurality of columns (i) extending in the first direction (210) and several rows (j). ) extending in a second direction (220), the semiconductor alloy of the photosensitive layer having a composition gradient in the first direction (210) for each column (i) of photodetectors and a constant composition in the second direction (220) for each row (j) of photodetectors.
6. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les photodétecteurs sont organisés en une matrice comprenant plusieurs colonnes (i) s'étendant dans la première direction (210) et plusieurs rangées (j) s'étendant dans une deuxième direction (220), l'alliage semi-conducteur de la couche photosensible présentant un gradient de composition dans la première direction (210) pour chaque s colonne (i) de photodétecteurs et un gradient de composition dans la deuxième direction (220) pour chaque rangée (j) de photodétecteurs. The spectrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the photodetectors are organized into a matrix comprising a plurality of columns (i) extending in the first direction (210) and a plurality of rows (j) extending in a second direction (220), the semiconductor alloy of the photosensitive layer having a composition gradient in the first direction (210) for each column (i) of photodetectors and a compositional gradient in the second direction (220) for each row (j) of photodetectors.
7. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de traitement est configuré pour calculer une différence de signaux entre deuxo photodétecteurs (1 10) consécutifs de chaque colonne (i). The spectrometer according to any one of claims 1 to 6, wherein the processing circuit is configured to calculate a signal difference between two consecutive photodetectors (1 10) of each column (i).
8. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de traitement est configuré pour mesurer l'intensité de plusieurs composantes spectrales du rayonnement électromagnétique incident.8. Spectrometer according to any one of claims 1 to 7, wherein the processing circuit is configured to measure the intensity of several spectral components of the incident electromagnetic radiation.
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