Ventanilla optrónica transparente a IR y reflectante para la RF.

Ventanilla optrónica (100) que comprende un sustrato (10) de dos caras (11,

12), con, sobre una de las caras del sustrato o sobre las dos caras, un apilado de varias heteroestructuras (30), estando compuesta cada heteroestructura de al menos dos capas (31, 32) semiconductoras SC1, SC2, estando dopada la capa (31) SC1, comprendiendo la capa (32) SC2 en sí misma una capa (33) de gas de electrones bidimensional formada en la interfaz con la capa SC1, siendo el sustrato y las capas transparentes en la banda 0,4 μm - 5 μm, caracterizada porque comprende un electrodo (40) en contacto con todas las capas (33) de gas de electrones, y una rejilla metálica bi-periódica enterrada en el apilado, en contacto con el electrodo (40).

Ventanilla optrónica transparente a IR y reflectante para la RF

El campo de la invención es el de la Compatibilidad Electromagnética (CEM) de los equipos optrónicos montados a bordo de aeronaves (telémetro láser, LIDAR, cámara VIS/IR, equipos optrónicos de ayuda al aterrizaje, etc.).

En efecto, la presencia de ventanas ópticas en este tipo de equipos expone el interior de estos dispositivos a las ondas electromagnéticas circundantes y recíprocamente. Se designa por ventana óptica el conjunto de una ventanilla transparente encastrada en una estructura mecánica; una ventanilla tiene típicamente un diámetro de 15 a 4 cm. Esta exposición a las ondas electromagnéticas puede tener como consecuencias:

- la perturbación del funcionamiento del dispositivo optrónico,

- la perturbación del funcionamiento de los diferentes equipos electrónicos circundantes (radar, comunicación por radio, etc.).

La utilización de una ventana óptica transparente en el intervalo de longitud de onda óptica utilizado (3 nm a 2 pm) y reflectante a las ondas de RF (1 MFIz a 1 GFiz) permite asegurar una continuidad eléctrica en la carcasa del equipo y constituir de ese modo una jaula de Faraday. En ese caso la ventana optrónica no es transparente en la banda de RF.

Floy en día, se emplean principalmente tres técnicas con el fin de realizar la combinación de los 2 efectos buscados: transparencia óptica y reflectlvldad/absorclón de las microondas.

Una primera técnica consiste en asociar a la ventanilla óptica una rejilla metálica de la misma dimensión.

Desde un punto de vista de la hlperfrecuencla, esta rejilla se comporta como un filtro paso alto a las frecuencias cuyo comportamiento está ligado al tamaño de los hilos de la rejilla, a su paso y a la naturaleza del metal utilizado (generalmente de oro o de cobre). En efecto, para longitudes de onda grandes frente al paso de la rejilla y para unos grosores de penetración del campo electromagnético (denominados grosores de piel) más pequeños que el grueso del hilo de la rejilla, ésta se ve como una capa metálica uniforme y por lo tanto reflectante.

Desde un punto de vista óptico, los hilos de la rejilla se comportan como unos elementos difractantes. Para una longitud de onda dada, es la eficacia de la difracción, determinada por la periodicidad de la rejilla así como por el tamaño de los hilos con relación a la longitud de onda considerada, lo que determinará las pérdidas ópticas. Por ejemplo, una rejilla de cobre de 3 pm de diámetro de hilo con una malla regular (un paso) de 224 pm presenta una transparencia óptica en el campo visible del 78 %.

Los rendimientos de dichos dispositivos están limitados principalmente por unas limitaciones tecnológicas. En efecto, cuando la rejilla debe ser mecánicamente auto-soportada, su diámetro de hilo y su paso no pueden reducirse más allá de unos límites de resistencia de los materiales; entonces la difracción óptica se convierte en demasiado Importante.

Se señala también la existencia de rejillas bi-periódicas que ¡mplementan unos materiales semiconductores y que permiten acoplar la onda de RF incidente en una capa absorbente.

Otra técnica empleada consiste en depositar sobre la ventanilla óptica, una capa conductora transparente. Con este fin, se emplean corrientemente unos metales depositados en finas capas o unos óxidos dopados (oro en capa delgada, ITO, ZnO). Para las frecuencias de microondas, la capa semitransparente se comporta como un metal que permite reflejar uniformemente las ondas cuya frecuencia es inferior a la frecuencia de plasma. Esta técnica se emplea típicamente sobre las cristaleras de avión o de helicóptero.

Mientras esta técnica puede proporcionar satisfacción en el campo visible (particularmente para todas las aplicaciones ligadas a la vlsualización), no es este el caso para longitudes de onda superiores a 1,5 pm en las que, cuando la capa es suficientemente conductora con una resistencia superficial típicamente Inferior a 1 Q/cuadrado, las ondas de IR son fuertemente reflejadas y/o absorbidas. Las conductividades típicas son del orden de la decena de ohmlos/cuadrado para una transmisión del 4 % a 1,5 pm.

Finalmente una tercera técnica, diferente de las otras dos, implementa una superficie selectiva en frecuencia del tipo pantalla de Salisbury, con unos materiales ópticamente compatibles.

Este tipo de superficie está constituida por un dioptrio parcialmente reflectante a hlperfrecuencia, por un sustrato de un grosor efectivo de A74, seguido por una superficie altamente reflectante a la RF. De ese modo, las reflexiones de RF sobre el primer dioptrio están acopladas en oposición de fase con la reflexión sobre el dioptrio altamente reflectante implicando de ese modo una disminución de la reflectividad a la RF de la ventanilla.

Estas superficies reflectantes pueden realizarse con la ayuda de rejillas o de capas semitransparentes tal como se han presentado anteriormente.

Este tipo de filtro no es eficaz más que para una banda estrecha de frecuencias. Existen unas técnicas para ampliar la banda de funcionamiento de este tipo de dispositivo (pantalla de Jaumann, por ejemplo); sin embargo, éstas conducen a la realización de estructuras relativamente abultadas.

Entre los documentos del estado de la técnica, se puede citar el US 6 99 97 que describe particularmente una ventanilla optrónica y la publicación "Electromagnetic Compatibility Engineering" de Ott, H.W que presenta unos medios para luchar contra las interferencias electromagnéticas.

En consecuencia, continúa existiendo a día de hoy una necesidad de una ventanilla que dé satisfacción simultáneamente al conjunto de las exigencias antes mencionadas, en términos de buena transmisión al IR, reducida transmisión de la RF y buena resistencia mecánica.

La invención se basa en la utilización de un sustrato transparente de entre ,4 y 5 pm asociado a un apilado de heteroestructuras, comprendiendo cada heteroestructura unas capas semiconductoras de gran energía de banda prohibida (típicamente superior a 1 eV) y unos portadores eléctricos móviles con una movilidad típicamente superior

a 1 cm2/V/s.

La utilización de capas semiconductoras de gran energía de banda prohibida confiere una buena transparencia al IR superior al 9 %; su grosor del orden de 1 pm así como la movilidad de los portadores superior a 1 cm2/V/s garantizan su conductividad y por tanto su reflectividad a la RF.

Más precisamente la invención tiene por objeto una ventanilla optrónica que comprende un sustrato de dos caras, con un apilado, sobre una de las caras del sustrato o sobre las dos, de varias heteroestructuras, estando compuesta cada heteroestructura por al menos dos capas semiconductoras SC1, SC2, estando dopada la capa SC1, comprendiendo la capa SC2 en sí misma una capa tridimensional de gas de electrones formada en la interfaz con la capa SC1, siendo las capas y el sustrato transparentes entre ,4 y 5 pm. Está caracterizada principalmente porque comprende un electrodo en contacto con todas las capas de gas de electrones.

Comprende además una rejilla metálica bi-periódica en contacto con el electrodo, que está enterrado en el apilado. Generalmente es de mallas regulares. Tiene típicamente un hilo de grosor inferior a 5 pm y un paso inferior a 5 pm.

La presencia de los canales de electrones bidimensionales del tipo 2DEG ("Two-Dimensional Electron Gas") permite incrementar la movilidad de los portadores en la estructura y por tanto incrementar la reflectividad a la RF y la transparencia a IR.

Según una característica de la invención, la capa semiconductora SC2 no está dopada.

Según otra característica de la invención las heteroestructuras son de grosor diferente y/o no están compuestas de los mismos materiales y/o no comprenden el mismo número de capas.

Esta ventanilla comprende típicamente un apilado de 1 a 8 heteroestructuras.

Puede comprender una capa tampón entre sustrato y el apilado de heteroestructuras, así como una o dos capas antirreflejos.

El sustrato es en general de zafiro o SiC o Si, la capa SC2 de GaN y la capa SC1 de AlGaN con una concentración de Al comprendida entre el 25 al 3 %.

La epitaxia del GaN sobre zafiro permite realizar unas ventanas de gran resistencia mecánica y térmica (fuerte enlace covalente entre Ga y N en el origen de la gran energía de banda prohibida: entre 3,2 y 3,4 eV). La temperatura de crecimiento superior a 1 °C le confiere una gran estabilidad térmica.

La invención tiene también por objeto una ventana optrónica que comprende una ventanilla tal como se ha descrito encastrada en una estructura mecánica eléctricamente... [Seguir leyendo]

1. Ventanilla optrónica (1) que comprende un sustrato (1) de dos caras (11, 12), con, sobre una de las caras del sustrato o sobre las dos caras, un apilado de varias heteroestructuras (3), estando compuesta cada heteroestructura de al menos dos capas (31, 32) semiconductoras SC1, SC2, estando dopada la capa (31) SC1, comprendiendo la capa (32) SC2 en sí misma una capa (33) de gas de electrones bldlmenslonal formada en la interfaz con la capa SC1, siendo el sustrato y las capas transparentes en la banda ,4 pm - 5 pm, caracterizada porque comprende un electrodo (4) en contacto con todas las capas (33) de gas de electrones, y una rejilla metálica bi-periódica enterrada en el apilado, en contacto con el electrodo (4).

2. Ventanilla optrónica (1) según la reivindicación anterior, caracterizada porque la rejilla es de mallas regulares.

3. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la rejilla tiene un hilo (5) de grosor Inferior a 5 pm y un paso inferior a 5 pm.

4. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa semiconductora (32) SC2 no está dopada.

5. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las heteroestructuras (3) son de grosor diferente y/o no están compuestas de los mismos materiales y/o no comprenden el mismo número de capas.

6. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un apilado de 1 a 8 heteroestructuras (3).

7. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende una capa (2) tampón entre el sustrato (1) y el apilado de heteroestructuras (3).

8. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende una o dos capas (6) antirreflejos.

9. Ventanilla optrónica (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el sustrato (1) es de zafiro o SiC o Si y porque la capa (32) SC2 es de GaN y la capa (31) SC1 de AlGaN con una concentración de Al comprendida entre 25 y 3 %.

1. Ventana optrónica (2) que comprende una ventanilla (1) según una de las reivindicaciones anteriores encastrada en una estructura (21) mecánica eléctricamente conductora, estando unido el electrodo (4) de la ventanilla a esta estructura eléctricamente conductora.