FR2966678A1 - Dispositif d'imagerie en particulier du type cmos a report et integration. - Google Patents
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Abstract
Dispositif d'imagerie (DIS) formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites (p) s'étendant selon une première direction (DIR1) et une seconde direction (DIR2). Le dispositif d'imagerie (DIS) comprend des moyens de transfert configurés pour transférer des charges selon la première direction (DIR1) et des moyens d'extraction configurés pour extraire des charges selon la seconde direction (DIR2).
Description
B10-4064FR 1 Dispositif d'imagerie en particulier du type CMOS à report et intégration.
L'invention concerne les dispositifs d'imagerie à réseau matriciel de pixels, et plus particulièrement les capteurs d'image dits à « reports et intégration » communément désignés par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon TDI (Time Delay and Integration), utilisant une technologie CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Un dispositif d'imagerie, ou capteur, est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement électromagnétique en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le dispositif d'imagerie met à profit l'effet photoélectrique qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons à chaque élément actif, appelé photosite. Un dispositif d'imagerie comprend généralement des photosites agencés en matrice, chaque photosite correspondant à un pixel d'une image. Les photons captés par le dispositif d'imagerie à base de composants semi-conducteurs sont convertis en paires électrons/trous dans le silicium. Plus précisément, les charges créées dans les zones photosensibles sont stockées dans le photosite avant d'être lues grâce à un système électronique. Deux grandes famille de dispositifs d'imagerie, ou capteurs, sont disponibles : les capteurs à transfert de charge, ou capteurs CCD (de l'anglais Charge-Coupled Device), et les capteurs CMOS, ou capteurs CMOS APS (APS signifiant en anglais Pixel-Active Sensor).
Le capteur CCD est le plus simple à fabriquer. I1 possède une bonne sensibilité, mais, du fait de son principe de fonctionnement, le transfert de charges est relativement lent. Le capteur CMOS comprend un circuit intégré incorporant des cellules comportant des zones photosensibles telles que des photodiodes et une logique d'amplification puis d'obturation, contrairement aux capteurs CCD qui ne possèdent pas d'électronique interne d'amplification et d'obturation. Ils sont plus complexes à fabriquer mais sont produits selon des techniques classiques de microélectroniques et de ce fait peuvent avoir des dimensions importantes. Ces capteurs CMOS sont largement utilisés pour les capteurs autofocus des appareils photographiques numériques réflex. Un capteur CMOS permet donc de résoudre les problèmes de rapidité et de dimensions des capteurs d'image passifs tels que les capteurs CCD. La consommation électrique d'un capteur CMOS est également réduite par rapport à la consommation d'un capteur CCD, et possèdent également un coût de production moindre. De plus, de part leur structure ils combinent les fonctions de capteur d'image et de traitement d'image.
Dans de nombreuses applications liées à la prise de vue, l'objet d'une image est susceptible d'être en mouvement à une vitesse constante par rapport à l'appareil photographique et plus particulièrement par rapport au capteur (dispositif d'imagerie). Par exemple, l'image d'un objet en mouvement peut être capturée par un appareil photographique dans une position stationnaire, ou l'image d'un objet stationnaire peut être capturée par un appareil photographique dans un véhicule en mouvement, par exemple. Par conséquent, dans le cas d'une grande vitesse de déplacement relative d'un objet par rapport à un capteur, le temps d'intégration disponible pour un photosite est d'autant plus court. En effet, si le temps d'intégration des photosites est trop long, les mêmes photons reçus par un photosite seront également reçus par le photosite voisin qui aura recueilli d'autres photons juste avant. Les photons couvrent alors plusieurs photosites au lieu d'un seul, et l'image obtenue sera floue. Une technique dits « de report et d'intégration », communément appelée Time Delay and Integration en anglais ou TDI, est utilisé sur des capteurs d'image avec des applications de balayage de lignes (en anglais, line scan application) lorsque la quantité de lumière reçue est faible, impliquant un temps de pose long, ou lorsque la vitesse de déplacement de l'objet d'une image est grande. Cette technique permet ainsi d'intégrer sur un temps supérieur au temps disponible pour l'intégration sur un seul photosite, une quantité de lumière suffisante alors que l'objet de l'image est en mouvement relatif par rapport au capteur. La fonction TDI a été appliquée naturellement aux dispositifs d'imagerie, ou capteurs, du type CCD en réalisant un transfert d'un paquet de charges le long du capteur de manière synchrone avec le déplacement de l'image. En effet, un capteur CCD fonctionne intrinsèquement avec un transfert de charge. Le transfert du paquet de charges intrinsèque au fonctionnement du CCD est ainsi synchronisé avec le déplacement relatif de l'objet de l'image par rapport au capteur de manière à ce que l'intégration soit poursuivie sur le photosite suivant pour le même rayon lumineux. Un dispositif d'imagerie du type CMOS ne comporte pas de transfert de charges d'un photosite à un autre comme c'est le cas pour le capteur CCD. La fonction TDI utilisant une sommation de charges ne peut pas être réalisée dans un capteur CMOS classique.
Le document US 6 906 746 décrit l'application d'une technique TDI à un capteur CMOS classique. Cependant, aucun transfert de charge n'étant possible dans un capteur CMOS classique, la fonction TDI ne résulte pas d'une accumulation de charges mais d'une sommation en tension des tensions de sortie des photosites correspondant aux charges respectivement recueillies dans chaque photosite. Cette sommation en tension, entraîne une sommation du bruit perturbant la mesure des tensions, et dégradant l'image obtenue. Selon un mode de réalisation et un mode de mise en oeuvre, il est proposé un capteur CMOS doté d'un transfert de charges entre deux photosites, et capable d'implémenter une fonction dite TDI avec une sommation de charges dans une direction et une extraction des charges sommées dans une direction transverse.
Selon un aspect, il est proposé dans un mode de réalisation, un dispositif d'imagerie formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites s'étendant selon une première direction et une seconde direction.
Selon une caractéristique générale de cet aspect, le dispositif d'imagerie comprend des moyens de transfert configurés pour transférer des charges selon la première direction et des moyens d'extraction configurés pour extraire des charges selon la seconde direction.
Le dispositif d'imagerie possède ainsi à la fois les caractéristiques intrinsèques d'un capteur CCD relatives au transfert de charge et d'un capteur d'image CMOS relatives à l'extraction des charges dans un sens transversal au sens de transfert de charges. Le dispositif d'imagerie a donc la possibilité de transférer les charges longitudinalement et d'extraire les charges latéralement. Un tel dispositif peut ainsi former un dispositif d'imagerie CMOS à report et intégration (TDI). De préférence, les moyens de transfert comprennent pour chaque photosite des moyens élémentaires de transfert de charges selon ladite première direction, et les moyens d'extraction comprennent pour chaque photosite des moyens élémentaires d'extraction de charges selon ladite seconde direction. Ces moyens élémentaires de transfert de charges permettent à chaque photosite de transférer la charge collectée au photosite suivant.
Les moyens élémentaires de transfert de charges peuvent avantageusement comprendre au moins deux couples électrode/contreélectrode, un couple électrode/contre-électrode comportant une électrode et une contre-électrode disposées face à face et s'étendant selon la première direction, et les au moins deux couples électrode/contre-électrode étant disposées de manière successive selon ladite première direction, et les moyens de transfert comprennent en outre des moyens configurés pour appliquer des différences de potentiels sur deux couples successifs d'électrode/contre-électrode.
Le transfert des charges de couples électrode/contre-électrode en couples électrode/contre-électrode, et donc de photosite en photosite, est alors assuré par des modifications successives des potentiels appliqués aux électrodes. Les charges accumulées dans les puits de potentiels sont transférées selon la première direction, en modifiant les potentiels de manière à modifier les puits de potentiels et les barrières de potentiels. De préférence, les moyens élémentaires d'extraction de charges peuvent comprendre des moyens de couplage aptes à coupler l'électrode d'un premier couple électrode/contre-électrode dudit photosite à l'électrode d'un second couple électrode/contre-électrode dudit photosite, ledit premier et ledit second couple électrode/contreélectrode étant adjacents dans ledit photosite, et les moyens d'extraction comprennent en outre des moyens configurés pour appliquer des potentiels différents, d'une part, aux deux électrodes couplées, et d'autre part, aux deux contre-électrodes adjacentes correspondantes. En couplant ainsi les deux électrodes de deux couples électrode/contre-électrode successifs, et en maintenant les deux contre-électrodes des deux couples électrode/contre-électrode découplés, il est possible de réaliser un transfert de charges dans la première direction ou une extraction de charges selon la seconde direction à partir des deux couples électrode/contre-électrode. En effet, lorsqu'un potentiel électrique haut est appliqué aux électrodes, la modification des potentiels électriques sur les contre électrodes associées permet de réaliser un transfert de charges selon la première direction. En revanche, lorsqu'un potentiel bas est appliqué aux électrodes, l'application d'un potentiel haut aux deux contre-électrodes entraîne l'extraction des charges selon la seconde direction.
Avantageusement, le dispositif d'imagerie peut comprendre des moyens de commande aptes à activer les moyens de transfert sur des groupes successifs d'au moins un photosite s'étendant selon la première direction et à activer les moyens d'extraction sur le ou les photosite du dernier groupe.
Les moyens de commande sont ainsi couplés aux électrodes afin de contrôler les potentiels appliqués successivement et contrôler le transfert et l'extraction des charges. Les moyens de commande peuvent comprendre un transistor de transfert autorisant le transfert des charges stockées dans le photosite vers une zone de collecte de charges Le dispositif d'imagerie peut également comprendre des moyens de transformation de la charge extraite par les moyens d'extraction en une tension électrique correspondante.
Les moyens de transformation permettent de transformer les charges collectées dans la zone de collecte de charges en un signal dont la tension dépend des charges accumulées dans le photosite. Cette zone de collecte de charges forme un noeud de mesure (« sensing node » en anglais) au niveau duquel est connecté une électronique de contrôle classique comportant notamment un transistor de lecture. Le dispositif d'imagerie peut ainsi former un dispositif d'imagerie CMOS à report et intégration. Selon un autre aspect, il est proposé, dans un mode de mise en oeuvre, un procédé de traitement d'un réseau matriciel de photosites semi-conducteurs organisés selon une première direction et une second direction. Selon une caractéristique générale, le procédé comprend un transfert de charges selon ladite première direction et une extraction de charges selon la seconde direction.
Avantageusement, chaque photosite comprend au moins deux couples électrode/contre-électrode adjacents dans la première direction, comportant chacun une électrode et une contre-électrode disposées face à face et s'étendant selon la première direction, et le transfert de charges selon la première direction comprend une application de différences de potentiels électriques entre lesdits au moins deux couples électrode/contre-électrode adjacents. L'extraction de charges d'un photosite selon la seconde direction comprend préférentiellement l'application d'un potentiel électrique ayant un premier niveau, correspondant à un niveau bas, noté 0, à l'électrode d'un premier couple électrode/contre-électrode dudit photosite et à l'électrode d'un second couple électrode/contreélectrode dudit photosite, et l'application d'un potentiel ayant un deuxième niveau, correspondant à un niveau haut, noté 1, aux contre- électrodes du premier et du second couples électrode/contre-électrode. Le procédé peut avantageusement comprendre une activation du transfert de charges sur des groupes successifs d'au moins un photosite s'étendant selon la première direction et une activation de l'extraction de charges sur le ou les photosites du dernier groupe.
Le procédé peut également comprendre une transformation de la charge extraite d'un photosite en une tension électrique correspondante. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un réseau matriciel de photosites d'un dispositif d'imagerie ; - la figure 2 présente un exemple de photosite selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 3 et 4 illustrent respectivement une vue en perspective et une vue en coupe selon le plan B-B d'une portion de capteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 illustre de manière schématique un exemple d'évolution d'un paquet de charge collecté dans un groupe de photosites ; - la figure 6 illustre schématiquement les puits de potentiel et la barrière de potentiel créés en fonction d'un premier type de configuration de potentiels appliqués à une électrode et une contre électrode d'un même couple ; - La figure 7 illustre schématiquement les puits de potentiel et la barrière de potentiel créés en fonction d'un second type de configuration de potentiels appliqués aux deuxième et 30 troisième couples d'électrode/contre-électrode selon un mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 est représenté un dispositif d'imagerie, ou capteur, DIS de type CMOS comprenant un réseau matriciel de photosites p s'étendant selon une première direction DIR1, par exemple les colonnes, et selon une deuxième direction DIR2, par exemple les lignes ou rangées. Chaque photosite p correspond à un pixel d'une image. Ainsi, les signaux issus de chaque photosite p combinés à leurs coordonnées dans la matrice permettent de former une image. Un photosite p du réseau matriciel du capteur comprend une photodiode semi-conductrice permettant de transformer les photons reçus en paire électron/trou et une électronique d'amplification interne associée à la photodiode du photosite p.
Sur la figure 2 est présentée de manière schématique une vue de dessus de deux photosites pl et p2 adjacents dans une même rangée Li du réseau matriciel selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, chaque photosite p comprend trois couples électrode/contre-électrode. Un photosite p doit comprendre au moins deux couples électrode/contre-électrode pour que le transfert longitudinal selon la première direction DIR1 soit réalisable. Un couple électrode/contre-électrode comprend une électrode E et une contre-électrode CE. L'électrode E et la contre-électrode CE d'un même couple sont disposées face à face et s'étendent dans la première direction DIR1 correspondant à la direction des colonnes du réseau matriciel du dispositif d'imagerie. Les électrodes E des différents couples d'un photosite sont disposées d'un même côté et les contre-électrodes CE du côté opposé. Bien entendu, une électrode peut être considérée comme une contre-électrode et inversement. Dans ce mode de réalisation, le premier couple électrode/contre-électrode d'un photosite comprend une électrode El et une contre-électrode CE1 électriquement couplées ensemble par un premier élément de connexion 1. Ainsi, le potentiel électrique appliqué à l'électrode El du premier couple sera le même que le potentiel appliqué à la contre-électrode CE1 du même couple, ainsi que celui appliqué aux électrodes homologues Ex et contre-électrodes homologues CEx des autres photosites de la même rangée Li.
Le deuxième couple électrode/contre-électrode d'un photosite p comprend une électrode E2 couplée à l'électrode E3 du troisième couple électrode/contre-électrode tandis que la contre-électrode CE2 du deuxième couple électrode/contre-électrode et la contre-électrode CE3 du troisième couple électrode/contre-électrode sont électriquement indépendantes. La contre-électrode CE2 du deuxième couple est électriquement indépendante de l'électrode E2 associée, la contre-électrode CE3 du troisième couple est électriquement indépendante de son électrode E3 associée. Et les électrodes E2 et E3 des deuxième et troisième couples qui sont couplées mutuellement ensemble, sont indépendantes de toute autre électrode Ex du photosite, c'est-à-dire de l'électrode El du premier couple dans l'exemple présenté. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, le couplage de l'électrode E2 du deuxième couple avec l'électrode E3 du troisième couple est réalisé en remplaçant les électrodes E2 et E3 des deuxième et troisième couples par une unique électrode commune E23 de dimension plus grande. Sur la figure 2, les électrodes E2 et E3 ont été fictivement représentées sur le photosite pl par des pointillés au niveau de l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples. Dans un autre mode de réalisation, le couplage entre ces deux électrodes E2 et E3 pourrait être réalisé par une connexion électrique entre les deux électrodes E2 et E3. Le couplage électrique des deux électrodes E2 et E3 du deuxième et troisième couples, d'une part, et le non couplage électrique des contre-électrodes associées CE2 et CE3, d'autre part, permettent l'extraction des charges du côté des contre électrodes électriquement indépendantes CE2 et CE3.
Chaque photosite du réseau matriciel a une structure identique. Comme illustré sur la figure 2, les électrodes et contre-électrodes des premier, deuxième et troisième couples des photosites d'une même rangée sont respectivement couplées ensemble. Les électrodes E23 communes de chaque photosite pl et p2 d'une même rangée Li sont couplées ensemble par un deuxième élément de connexion 2. De manière similaire, les deuxièmes contre-électrodes CE2 de chaque photosite pl et p2 d'une même rangée Li sont couplées ensemble par un troisième élément de connexion 3, et les troisièmes contre- électrodes CE3 de chaque photosite pl et p2 d'une même rangée Li sont couplées ensemble par un quatrième élément de connexion 4. De cette façon, les deuxièmes et troisièmes couples des photosites d'une même rangée sont commandés ensemble. Des moyens MCM, de structure classique, permettent avec les éléments de connexion 1 à 4 d'appliquer des potentiels appropriés sur les électrodes et les contre-électrodes de façon à permettre le transfert et l'extraction de charges, comme il sera expliquer plus en détails ci-après. Les moyens MCM sont contrôlés par des moyens de commande MCD régissant les moyens MCM selon des lois de configuration des différences de potentiels à appliquer aux couples électrode/contreélectrode. Les couples d'électrode/contre-électrode font partie des moyens de transfert de charges selon la première direction DIR1 correspondant à la direction parallèle aux colonnes du réseau matriciel. Par la suite, il sera fait référence à cette première direction DIR1 sous la dénomination de direction longitudinale. Par ailleurs, les deuxième et troisième couples d'un photosite font également partie de moyens d'extraction de charges permettant d'extraire les charges accumulées dans un photosite selon une deuxième direction DIR2 correspondant à la direction parallèle aux rangées du réseau matriciel. Par la suite, il sera fait référence à cette seconde direction DIR2 sous la dénomination de direction latérale. Le fonctionnement du transfert de charge et de l'extraction de charge sera explicité plus tard.
Chaque photosite p comprend également des moyens de transformation de la charge extraite par les moyens d'extraction en une tension électrique correspondante. Les charges stockées dans le photosite sont extraites vers une zone de collecte de charges situées entre les contre-électrodes des deuxième et troisième couples. Cette zone de collecte de charges forme un noeud de mesure SN (sensing node) au niveau duquel est connecté une électronique de commande formant les moyens de transformation comportant notamment un transistor de lecture RD, autorisant la lecture, c'est-à- dire la mesure des charges collectées, un transistor suiveur SF (source follower) permettant de transférer le signal du noeud de lecture (sensing node) sur la colonne par le transistor de sélection ligne RD et de réaliser une amplification, et un transistor de réinitialisation RST (reset) permettant la réinitialisation du noeud de lecture (sensing node) avant que la mesure ne soit réalisée. En effet, dans un dispositif d'imagerie de technologie CMOS, un photosite p réalise une lecture active. Pour cela, il fonctionne selon un cycle comprenant au moins une étape d'accumulation de charges, une étape de mesure, et une étape de réinitialisation. L'étape d'accumulation correspond à la photogénération de charges et leur accumulation lors de l'exposition de la photodiode. L'étape de mesure correspond à la génération d'un signal dont la tension dépend de la quantité de charges photogénérées accumulées dans la photodiode. L'étape de réinitialisation correspond à l'élimination des charges photogénérées avant une nouvelle étape de mesure. Dans le cas présent, lors d'une extraction de charge dans la direction latérale DIR2, après l'étape d'accumulation de charge, le fonctionnement du photosite p comprend une étape de réinitialisation permettant de réinitialiser la mesure, puis une première étape de mesure suivie d'une étape de transfert de mesure vers le transistor suiveur SF, et enfin une seconde étape de mesure. Deux étapes de mesures sont réalisées afin de soustraire le bruit dû au transistor de réinitialisation RST. Le bruit de réinitialisation est obtenu à partir de la soustraction des deux mesures.
De cette manière, le signal délivré est affranchi du bruit de réinitialisation. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un exemple de couples électrode/contre-électrode (El, CE1) et (E2, CE2) d'un photosite p au sein d'un capteur d'image semi-conducteur. Sur un substrat 31 de silicium dopé de type P, est disposée une couche 32 dopée de type N. La couche 32 et éventuellement la partie supérieure du substrat 31 forment une zone de photoconversion du capteur. Une mince couche 33 dopée de type P est formée à la surface de la couche 32. La couche 33 a notamment pour rôle d'éviter la présence d'une interface entre la face supérieure de la couche 32 et une couche supérieure (non représentée) d'oxyde de silicium. En effet, la présence d'une interface entre la couche 32 contenant des porteurs de charge et une couche d'oxyde de silicium conduirait à une réduction du nombre de porteurs par piégeage à l'interface ou à une augmentation du courant d'obscurité. Un deuxième rôle de la couche 33 est de maintenir une tension de référence dans la couche 32. La partie supérieure de la zone de photoconversion est divisée en une pluralité d'allées 34 délimitées par des rangées d'électrodes isolées 35 et de contre-électrodes isolées 36, s'étendant verticalement à travers les couches 33, 32 et 31. Chaque rangée d'électrodes 35 et chaque rangée de contre-électrodes 36 forment par exemple des cavités parallélépipédiques successives et alignées, ou rainures, emplies de silicium polycristallin dopé, isolé du substrat par une couche d'oxyde 37. Les électrodes 35 et les contre-électrodes 36 délimitant une allée 34 sont disposées en regard l'une de l'autre et forment respectivement des colonnes d'électrodes et de contre-électrodes. Les électrodes 35 (El, E2, ...) et les contre-électrodes 36 (CE1, CE2, ...), convenablement polarisées, définissent dans chaque allée 34 une succession de puits de potentiel dans lesquels des charges électriques peuvent s'accumuler. Dans cet exemple, seul le premier couple comprenant l'électrode El et la contre-électrode CE1 d'un photosite a été représenté, et une partie du deuxième couple comprenant l'électrode E2 et la contre électrode CE2 est visible sur la figure 3. Un puits de potentiel est créé par application d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de 5V à l'électrode El et à la contre- électrode CE1 du premier couple d'un photosite, et d'un potentiel bas, inférieur au potentiel haut, par exemple de l'ordre de OV, à l'électrode E2 et à la contre-électrode CE2 du second couple du photosite, ainsi qu'aux autres couples du photosite s'il en comprend plus de deux. Au cours d'une période d'acquisition d'image, la face supérieure du capteur est éclairée et des électrons, issus de la création, par absorption d'un photon, d'une paire électron-trou dans la zone de photoconversion, s'accumulent dans les puits de potentiel qui se remplissent proportionnellement à l'éclairement du pixel correspondant. Le substrat 31 est relié, en fonctionnement, à un potentiel de référence, par exemple, la masse permettant l'écoulement des trous issus de la photoconversion. La profondeur des électrodes 35 et des contre-électrodes 36 est de préférence choisie de façon à limiter les phénomènes de diaphotie, c'est-à-dire que cette profondeur est de préférence égale à la profondeur de la zone dans laquelle les photons incidents sont en majorité susceptibles de créer des paires électron-trou (par exemple 9µm pour du rouge). La polarisation des électrodes 35 et des contre-électrodes 36 est telle que les électrons photogénérés s'accumulent dans la couche 32 de type N, dans un volume 38 délimité de façon schématique par des pointillés dans la figure 4. On notera qu'il n'existe pas d'interface directe entre le volume 38 d'accumulation des électrons et la couche d'oxyde 37 d'isolation des électrodes 35 et des contre-électrodes 36, ni avec une couche d'oxyde supérieure, ce qui évite des pertes de charge à l'interface. Pour obtenir une capacité de stockage de charges maximale entre les électrodes, l'épaisseur de la couche 32 est de préférence proche de la profondeur des électrodes 35 et des contre-électrodes 36.
Ainsi, la zone de photoconversion est essentiellement constituée par la couche 32 de type N. La figure 5 présente l'évolution d'un paquet de charges collectées dans un groupe de photosites p après une période d'acquisition de l'image. Une fois les charges accumulées dans les photosites p, ces charges peuvent être soit transférées longitudinalement dans la première direction DIR1, c'est-à-dire de photosite en photosite d'une même colonne ou extrait latéralement du photosite p selon la seconde direction DIR2. La figure 5 représente 5 étapes de fonctionnement relatives à un groupe de trois photosites 100, 200 et 300 d'une même rangée. Sur la figure, pour des questions pratiques de lisibilité les couples électrode/contre-électrode ont été représentés horizontalement alors qu'ils sont disposés verticalement dans le dispositif d'imagerie sur la figure 2 notamment. Par ailleurs, sous chaque couple électrode/contre-électrode a été représenté de manière schématique le potentiel électrique associé aux électrodes et les charges, sauf à l'étape V pour laquelle on se référera à la figure 7.
Dans une première étape I, les charges C, C' et C" sont accumulées dans chaque photosite 100, 200 et 300 dans le puits de potentiel créé entre l'électrode El et la contre-électrode CE1 du premier couple de chaque photosite p. Ce puits de potentiel est créé en appliquant un potentiel haut, noté 1, sur l'électrode El et la contre- électrode CE1 du premier couple et en appliquant un potentiel bas, noté 0, aux contre-électrodes CE2 et CE3 du second couple et du troisième couple et à l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples. Dans une seconde étape II, les charges sont transférées vers le deuxième couple du photosite p dans lequel elles se situent. Pour cela, l'électrode El et la contre-électrode CE1 du premier couple sont maintenues à un potentiel haut et un potentiel haut est également appliqué à la contre-électrode CE2 du deuxième couple et à l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples, tandis que la contre-électrode CE3 du troisième couple est maintenue à un potentiel bas. Sur la figure 6 sont illustrés les puits et barrière de potentiel créés en fonction d'un premier type de configuration de potentiels appliqués à une électrode E et une contre électrode CE d'un même couple électrode/contre-électrode. Selon la convention, les potentiels sont représentés selon les potentiels décroissants. Ainsi, comme on peut l'observer sur la figure, lorsqu'il est appliqué un potentiel haut H, correspondant à un niveau logique 1, à l'électrode E et à la contre- électrode CE d'un même couple, un puits de potentiel est créé. Ce puits de potentiel permet de recueillir et d'accumuler les charges e-. En revanche, lorsqu'il est appliqué un potentiel bas B, correspondant à un niveau logique 0, à l'électrode E et à la contre-électrode CE d'un même couple, aucune charge ne peut être recueillie car il n'y a pas de formation d'un puits. De plus, lorsque l'électrode E est à un potentiel haut H et la contre électrode CE à un potentiel bas B, les charges ne peuvent pas migrer du couple précédent vers ce couple, et ne peuvent donc pas être recueillies par ce couple. Dans une troisième étape III (figure 5), l'électrode El et la contre-électrode CE1 du premier couple des photosites 100, 200 et 300 sont passées un potentiel bas, tandis que la contre-électrode CE2 du deuxième couple et l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples sont maintenues à un potentiel haut, et la contre-électrode CE3 du troisième couple est maintenue à un potentiel bas.
Dans cette configuration, les charges sont contenues dans le puits de potentiel créé entre la contre-électrode CE2 du deuxième couple et l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples. Dans une quatrième étape IV, les charges continuent d'être transférées longitudinalement, au sein du même photosite p pour l'instant. L'électrode El et la contre-électrode CE1 du premier couple sont maintenues à un potentiel bas, tandis que la contre-électrode CE3 du troisième couple est passée à un potentiel haut de sorte que les contre-électrodes des deuxième et troisième couples CE2 et CE3 et l'électrode E23 commune à ces deux couples soient toutes à un potentiel haut. Les charges sont donc réparties dans le puits de potentiel créé entre les contre-électrodes CE2 et CE3 et l'électrode E23 des deux couples. A cet instant, il existe deux possibilités d'évolution distinctes.
Une première possibilité non représentée consiste à transférer longitudinalement le paquet de charges vers le photosite p suivant. Cette possibilité est envisagée plus particulièrement dans le cas où une technique dite « de report et d'intégration », c'est-à-dire une fonction TDI, est appliquée de manière à intégrer la lumière reçue sur un temps correspondant au transfert longitudinal de deux photosites p ou plus. En effet, en transférant le paquet de charges sur le photosite p suivant, et en y appliquant une électronique correspondante il est possible de réaliser une seconde accumulation de charges d'une même scène et ainsi de la sommer aux charges déjà accumulées pour cette même scène. Pour réaliser ce transfert longitudinal des charges accumulées vers le photosite p suivant, à la suite de la quatrième étape D, un potentiel bas est appliqué, dans une première étape, à la contre-électrode CE2 du deuxième couple de manière à concentrer les charges dans le puits de potentiel alors créé entre la contre-électrode CE3 du troisième couple et l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples, alors que l'électrode El et la contre-électrode CEI du premier couple sont maintenues à un potentiel bas. Enfin, dans une étape suivante, un potentiel haut est appliqué à l'électrode El et à la contre-électrode CEI du premier couple, alors que le deuxième et le troisième couple sont maintenus dans la configuration précédente. Ainsi, un puits de potentiel est créé au niveau du troisième couple d'un photosite p et du premier couple du photosite p suivant, de manière à transférer les charges et les répartir entre ces deux couples.
Le transfert des charges vers le photosite p suivant est terminé en appliquant la configuration de la première étape A, dans laquelle les charges sont contenues dans le seul puits de potentiel du premier couple.
La deuxième possibilité d'évolution qui existe à l'issue de la quatrième étape IV, est une possibilité d'extraction des charges latéralement. Cette extraction des charges conduit alors à une mesure des charges et une transformation des charges en un signal dont la tension est proportionnelle à la quantité de charges extraites. Dans une application TDI, on suppose alors que les charges accumulées qui vont être extraites latéralement résultent d'un transfert sur plusieurs photosites situés en amont sur la colonne par rapport aux photosites représentés sur la figure 5.
Pour extraire les charges latéralement, à la suite de la quatrième étape IV, un potentiel bas est appliqué, dans une étape V, à l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples et un potentiel haut est appliqué sur les contre-électrodes CE2 et CE3. Comme cela est illustré sur la figure 7, l'application d'un potentiel bas B à l'électrode E23 commune aux deuxième et troisième couples alors qu'un potentiel haut H est appliqué à la contre-électrode CE2 du deuxième couple et à la contre-électrode CE3 du troisième couple entraîne l'apparition d'une barrière de potentiel qui aura tendance à repousser les charges accumulées dans le puits de potentiel précédemment formé, de manière à ce que les charges soient poussées dans l'espace séparant les contre-électrodes CE2 et CE3 des deuxième et troisième couples. Ces charges ainsi extraites peuvent alors être recueillies par le noeud flottant SN pour réaliser la transformation en tension.
Un dispositif d'imagerie de technologie CMOS selon un tel mode de réalisation permet ainsi de réaliser un transfert de charge longitudinal et ainsi pouvoir réaliser une fonction TDI comportant une sommation des charges accumulées, tout en conservant l'extraction de charges latérale propre aux capteurs d'image CMOS.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie (DIS) formé dans un substrat semi-conducteur comprenant un réseau matriciel de photosites (p) s'étendant selon une première direction (DIR1) et une seconde direction (DIR2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de transfert configurés pour transférer des charges selon la première direction (DIR1) et des moyens d'extraction configurés pour extraire des charges selon la seconde direction (DIR2).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de transfert comprennent pour chaque photosite (p) des moyens élémentaires de transfert de charges selon ladite première direction (DIR1), et les moyens d'extraction comprennent pour chaque photosite (p) des moyens élémentaires d'extraction de charges selon ladite seconde direction (DIR2).
- 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens élémentaires de transfert de charges comprennent au moins deux couples électrode/contre-électrode, un couple comportant une électrode (El, E2, ...) et une contre-électrode (CE1, CE2, ...) disposées face à face et s'étendant selon la première direction (DIR1), et les au moins deux couples électrode/contre-électrode étant disposées de manière successive selon ladite première direction (DIR1), et les moyens de transfert comprennent en outre des moyens (MCM) configurés pour appliquer des différences de potentiels sur deux couples successifs d'électrode/contre-électrode.
- 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les moyens élémentaires d'extraction de charges comprennent des moyens de couplage aptes à coupler l'électrode (El) d'un premier couple électrode/contre-électrode dudit photosite (p) à l'électrode (E2) d'un second couple électrode/contre-électrode dudit photosite (p), ledit premier et ledit second couple électrode/contre-électrode étant adjacents dans ledit photosite (p), et les moyens d'extraction comprennent en outre des moyens (MCM) configurés pour appliquerdes potentiels différents, d'une part, aux deux électrodes couplées (E2 et E3) et, d'autre part, aux deux contre-électrodes (CE2 et CE3) adjacentes correspondantes.
- 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (MCD) aptes à activer les moyens de transfert sur des groupes successifs d'au moins un photosite (p) s'étendant selon la première direction (DIR1) et à activer les moyens d'extraction sur le ou les photosites (p) du dernier groupe.
- 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de transformation de la charge extraite par les moyens d'extraction en une tension électrique correspondante.
- 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 formant un dispositif d'imagerie CMOS à report et intégration.
- 8. Procédé de traitement d'un réseau matriciel de photosites (p) semi-conducteurs organisés selon une première direction (DIR1) et une second direction (DIR2), caractérisé en ce qu'il comprend un transfert de charges selon ladite première direction (DIR1) et une extraction de charges selon la seconde direction (DIR2).
- 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel chaque photosite comprend au moins deux couples électrode/contre-électrode adjacents dans la première direction (DIR1), comportant chacun une électrode (El, E2, ...) et une contre-électrode (CE1, CE2, ...) disposées face à face et s'étendant selon la première direction (DIR1), et le transfert de charges selon la première direction (DIR1) comprend une application de différence de potentiels électriques entre lesdits au moins deux couples électrode/contre-électrode adjacents.
- 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'extraction de charges d'un photosite (p) selon la seconde direction (DIR2) comprend l'application d'un potentiel électrique ayant un premier niveau à l'électrode (El) d'un premier couple électrode/contre-électrode dudit photosite (p) et à l'électrode (E2) d'un second couple électrode/contreélectrode dudit photosite (p), et l'application d'un potentiel ayant undeuxième niveau aux contre-électrodes (CE1 et CE2) du premier et du second couples électrode/contre-électrode.
- 11. Procédé selon l'une des revendication 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une activation du transfert de charges sur des groupes d'au moins un photosite (p) successifs s'étendant selon la première direction (DIR1) et une activation de l'extraction de charge sur le ou les photosites (p) du dernier groupe.
- 12. Procédé selon l'une des revendication 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une transformation de la charge extraite d'un photosite (p) en une tension électrique correspondante.
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