Que sont les détecteurs ccd cmos et matrices infrarouges spatiales ?
Les détecteurs spatiaux convertissent le rayonnement électromagnétique en signal électrique exploitable. Pour le visible et proche infrarouge (0,4 à 1,1 µm), les CCD (Charge Coupled Device) en silicium dominent depuis 30 ans grâce à leur faible bruit (electrons/pixel) et leur excellente sensibilité, particulièrement en mode TDI (Time Delay Integration) qui multiplie le SNR x 10. Les CMOS spatiaux émergent en remplacement (faible consommation, lecture aléatoire pixels). Pour l'infrarouge moyen (3 à 5 µm) et thermique (8 à 14 µm), les matrices semi-conducteurs II-VI HgCdTe (MCT Mercury Cadmium Telluride) ou III-V InSb (Antimoniure d'indium) refroidies à 80-150 K par cryocoolers Stirling sont la référence, atteignant des matrices 2048 x 2048 pixels avec bruit < 100 électrons.
En France, Teledyne e2v Semiconductors Saint-Egrève 38 (Isère, ex-Atmel-MTOC puis racheté Teledyne UK en 2017, 250 salariés) est le leader européen des CCD visible spatial. Le site fournit les détecteurs des satellites observation Pléiades 1A/1B et Pléiades Neo (TDI CCD 30 000 pixels en barrette), CSO défense française (CCD TDI), MetOp IASI (CCD spectroscopie), ESA Solar Orbiter, JUICE. Lynred (ex-Sofradir, fusionné avec Ulis en 2019, Veurey-Voroize 38 Isère, 800 salariés, JV Safran 50 % Thales 50 %) est le leader européen des matrices infrarouges MCT et InSb refroidies, équipant Sentinel-3 SLSTR (instrument IR thermique), MicroCarb (interféromètre IR), MERLIN Lidar méthane, MTG-S (Météosat Third Generation Sondage). Les concurrents internationaux : Teledyne Imaging US, Raytheon Vision Systems US, Hamamatsu Photonics Japon.
Spécifications techniques et procédés de production
Principaux détecteurs spatiaux fabriqués en France :
Familles de produits et caractéristiques
| Détecteur | Format / Pixels | Bande spectrale | Application |
|---|---|---|---|
| CCD TDI Teledyne e2v CCD42-90 | 2 048 x 2 048 | 0,4 à 1,1 µm (visible) | Imageurs très haute résolution Pléiades Neo, CSO |
| CMOS CIS115 Teledyne e2v | 2 000 x 2 000 | 0,4 à 1,1 µm | JUICE JANUS, Mars Sample Return |
| MCT HgCdTe Lynred LWIR thermal | 1 024 x 1 024 | 8 à 12 µm thermique | Sentinel-3 SLSTR, ECOSTRESS NASA |
| InSb Lynred MWIR | 2 048 x 2 048 | 3 à 5 µm | IASI MetOp, missions scientifiques IR |
| MCT SWIR Lynred | 640 x 512 | 1 à 2,5 µm SWIR | MicroCarb monitoring CO2 atmosphérique |
| Détecteur scientifique TOSADIA TDI | 30 000 x 256 TDI | Multispectral visible | Sentinel-2 MSI, Pléiades XS |
Grades et conditionnements commerciaux
- CCD TDI Teledyne e2v CCD42-90 : 2 048 x 2 048 pixels 13,5 µm carré, mode TDI 256 stages, bruit 4 électrons RMS, sensibilité quantique 90 % @ 550 nm, refroidissement passif à -20 °C par radiateur SiC.
- Matrice MCT HgCdTe Lynred LWIR : matrice 1 024 x 1 024 pixels 18 µm carré sensibles thermique 8-12 µm, NEdT < 50 mK, refroidie 80 K par cryocooler Stirling, utilisée Sentinel-3 SLSTR depuis 2016.
- Matrice InSb Lynred MWIR : 2 048 x 2 048 pixels 15 µm, bande spectrale 3-5 µm moyenne IR, refroidie 80-100 K, sensibilité 10⁻¹² W/cm²/Hz, utilisée IASI MetOp pour profils température atmosphère.
- CMOS CIS115 Teledyne e2v : 2 000 x 2 000 pixels 7 µm rolling shutter, low noise 3 électrons, alternative CCD pour missions sondes planétaires JUICE JANUS et Mars Sample Return ERO Earth Return Orbiter.
- Cryocooler Stirling miniature : refroidisseur cryogénique mécanique 80 K pour matrices IR, consommation 50 W électrique, durée vie 50 000 heures (5 ans en orbite SSO), fournis Air Liquide Sassenage 38 et Ricor Israel.
Normes et réglementations
Standards et qualifications applicables aux détecteurs spatiaux :
- MIL-STD-883 Method 5004 et 5005 : Test methods for microelectronics, qualifications composants haute fiabilité spatiale.
- ECSS-Q-ST-60-13 : Components and EEE parts, qualifications composants pour environnement spatial (radiations, vide, cyclage thermique).
- ESA SCC 9000 series : Space Components Coordination, qualification composants pour ESA approuvée.
- JAXA QML-V : Qualified Manufacturer List Vendor, qualifications japonaises composants haute fiabilité.
- NASA EEE-INST-002 : Instructions for EEE Parts Selection for NASA Space Flight Programs, sélection composants.
- IEC 61340-5-1 : ESD Protection of electronic devices, manipulation et test détecteurs sensibles décharges.
Procédés industriels détaillés
Étapes de fabrication d'une matrice MCT HgCdTe Lynred (LWIR thermique) :
Croissance épitaxiale MOCVD HgCdTe
Croissance épitaxiale par MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) chez Lynred Veurey-Voroize 38 : couche HgCdTe sur substrat CdZnTe 4 ou 6 pouces, composition contrôlée (xHg = 0,3 pour LWIR 10 µm), épaisseur 8 µm.
Lithographie et gravure pixels
Photolithographie pour définir les pixels (typiquement 18 µm carré pour matrice 1 024 x 1 024), gravure plasma chlorée pour isolation entre pixels, métallisation des contacts ohmiques.
Hybridation indium bumps sur ROIC silicium
Hybridation indium par billes de soudure 10 µm sur ROIC silicium CMOS (ReadOut Integrated Circuit) qui convertit le signal photovoltaïque en tension lisible par 1 000+ canaux parallèles à 10 MHz lecture.
Encapsulation cryogénique dewar
Encapsulation de la matrice MCT-ROIC dans un dewar cryogénique (vide intérieur 10⁻⁶ mbar pour isolation thermique), fenêtre germanium ou ZnSe transparente IR, raccordement bras froid au cryocooler Stirling 80 K.
Tests fonctionnels cryogénique
Tests fonctionnels à 80 K en chambre froide cryogénique chez Lynred : mesure courant obscurité < 1 nA/cm², bruit NEdT < 50 mK, sensibilité quantique > 70 % @ 10 µm, uniformité pixels < 1 %.
Qualification spatiale MIL-STD-883
Tests qualification spatiale MIL-STD-883 et ECSS-Q-ST-60-13 : irradiation TID 50 krad, SEU/SEL Single Event Effects, vibrations 20 grms, thermique -50 °C à +85 °C, vieillissement 15 ans accéléré.
Le marché français
Le marché européen des détecteurs spatiaux représente 80 à 120 M€ par an. Teledyne e2v Saint-Egrève 38 (CCD/CMOS visible) détient 50 % du marché visible européen avec un CA spatial de 25 M€/an, fournissant les imageurs Pléiades, CSO, Sentinel-2, ESA Solar Orbiter. Lynred Veurey-Voroize 38 (matrices IR refroidies) détient 70 % du marché IR refroidi européen avec un CA spatial de 30 M€/an, équipant Sentinel-3, IASI, MicroCarb, MERLIN. Les CubeSats NewSpace utilisent des CMOS commerciaux qualifiés vol (sensors Sony IMX477, OnSemi KAI) plus économiques mais moins performants.
À l'échelle mondiale, le marché représente 1 Md€/an, dominé par Teledyne Imaging US (40 % parts marché, ex-Tracerco et e2v Technologies UK), Sony Semiconductor Japon (15 %, CMOS commerciaux qualifiés), Raytheon Vision Systems US (10 %, IR militaire et spatial), Hamamatsu Photonics Japon (10 %), Lynred France (8 %), Onsemi (5 %), autres (12 %). Les détecteurs IR refroidis HgCdTe sont un duopole Lynred France + Raytheon US, technologie stratégique export-controlled (ITAR US, Wassenaar EU).
Lynred Veurey-Voroize 38 (800 salariés, JV Safran et Thales depuis 2019) investit 100 M€ entre 2023 et 2027 dans la modernisation des lignes MOCVD et hybridation pour répondre à la demande Sentinel-3 Next Generation, IRIS², constellation IRIDE Italie et IRIS² UE. France 2030 mobilise 40 M€ pour le développement des matrices SWIR (Short Wave InfraRed 1-2,5 µm) nouvelle génération pour CO3D, MicroCarb 2, CHIME ESA. Teledyne e2v Saint-Egrève 38 (250 salariés) double sa capacité de production de CCD TDI très grand format (30 000 x 256 pixels) pour servir Pléiades Neo 5/6 et constellations commerciales.
Applications et débouchés industriels
Programmes spatiaux consommateurs de détecteurs visibles et infrarouges :
- Pléiades Neo (Airbus DS, 4 satellites 2021-2023) : détecteurs Teledyne e2v CCD TDI 30 000 pixels, résolution 30 cm visible + 6 bandes XS.
- CSO (Composante Spatiale Optique défense, 3 satellites 2018-2024) : détecteurs Teledyne e2v CCD TDI, résolution 35 cm visible, instrument IR Lynred pour acquisition thermique.
- Sentinel-3 SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer, Copernicus ESA) : matrices MCT Lynred LWIR thermique, mesure température mer et terre +/- 0,3 K.
- MicroCarb (CNES Toulouse 31, lancement 2026) : matrices SWIR Lynred pour spectroscopie infrarouge bandes CO2 1,6 et 2,0 µm.
- JUICE Jupiter (ESA, lancée avril 2023, arrivée 2031) : CMOS Teledyne e2v CIS115 sur JANUS imager + matrices IR sur MAJIS spectrometer.
Questions fréquentes
Quelle différence entre CCD et CMOS pour applications spatiales ?
Les CCD (Charge Coupled Device) excellent dans le visible et proche infrarouge avec un très faible bruit (3 à 5 électrons RMS), sensibilité quantique élevée (> 90 % @ 550 nm), uniformité pixel optimale, idéal pour imageurs haute résolution scientifiques (Pléiades Neo, CSO, Hubble historique). Les CMOS modernes (Teledyne e2v CIS115, Sony IMX series) rattrapent en bruit (3 électrons), offrent faible consommation (10x moins que CCD), lecture aléatoire pixels (régions d'intérêt), tolérance radiations supérieure. Les nouvelles missions (JUICE JANUS, Mars Sample Return ERO, satellites NewSpace) migrent vers CMOS. Les CCD restent pour très haute résolution scientifique.
Pourquoi refroidir les détecteurs infrarouges spatiaux ?
Les matrices infrarouges HgCdTe (MCT) sensibles aux longueurs d'onde 3-12 µm ont un courant d'obscurité (dark current) qui croît exponentiellement avec la température : à 300 K (ambiant), le courant d'obscurité saturerait totalement le détecteur (10⁻³ A/cm²). À 80 K (par cryocooler Stirling refroidi LH2 ou He), le courant chute à 10⁻¹² A/cm² (un milliard de fois moins), permettant la détection des très faibles flux IR (variations de 0,1 K à 300 m de distance pour Sentinel-3 SLSTR). Les détecteurs InSb MWIR nécessitent également refroidissement 80-100 K. Seuls les microbolomètres LWIR thermiques (matrices BVO ou amorphous silicon) fonctionnent à température ambiante mais avec sensibilité 10x moindre.
Qui fabrique les détecteurs spatiaux en France ?
Teledyne e2v Semiconductors Saint-Egrève 38 (Isère, ex-Atmel-MTOC racheté Teledyne UK en 2017, 250 salariés) est le leader européen des CCD visible spatial : Pléiades Neo, CSO, Sentinel-2, ESA Solar Orbiter, JUICE JANUS. Lynred Veurey-Voroize 38 (Isère, ex-Sofradir fusionné Ulis en 2019, JV Safran 50 % Thales 50 %, 800 salariés) est le leader européen des matrices infrarouges refroidies HgCdTe et InSb : Sentinel-3 SLSTR, IASI MetOp, MicroCarb, MERLIN, MTG-S. Cette concentration grenobloise s'explique par l'écosystème historique CEA-LETI Grenoble 38 (5 000 chercheurs micro-électronique) et l'expertise française en semi-conducteurs II-VI.
Combien coûte un détecteur CCD spatial très haute résolution ?
Un détecteur CCD TDI Teledyne e2v très haute résolution pour satellite observation Terre (type Pléiades Neo, format 30 000 x 256 pixels TDI 13,5 µm, refroidi -20 °C) coûte environ 1 à 3 M€ unitaire incluant fabrication CCD (500 K€ à 1 M€), tests fonctionnels (200 K€), qualification spatiale ECSS-Q-ST-60-13 (300 K€), packaging dewar avec interface électrique haute fiabilité (500 K€), traçabilité matière complète (100 K€). Un satellite Pléiades Neo embarque 3 à 6 détecteurs CCD TDI (visible Pan + 6 bandes XS), soit 5 à 15 M€ de détecteurs sur un satellite total 200 M€. Les matrices infrarouges Lynred refroidies sont 2x plus chères avec cryocoolers Stirling intégrés.