FR2855913A1 - Reseau de condensateurs de stockage pour dispositif d'imagerie a l'etat solide - Google Patents
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Abstract
Réseau de condensateurs de stockage pour un imageur à rayonnement à l'état solide (200). Le réseau de l'imageur comprend plusieurs pixels (110) placés sur un substrat selon un dessin de réseau d'imagerie. Chaque pixel comprend un capteur optique (120) couplé à un transistor de commutation à couches minces (130). Plusieurs lignes de balayage (150) sont placées à un premier niveau par rapport au substrat le long d'un premier axe et plusieurs lignes de données (140) sont placées à un deuxième niveau le long d'un deuxième axe du réseau d'imagerie. Des condensateurs (241) sont disposés sur le substrat, chaque condensateur ayant une première électrode (291) couplée à un capteur optique correspondant et à un transistor à couches minces correspondant et une deuxième électrode (296) couplée à une électrode linéaire (251) de condensateur.
Description
i
Réseau de condensateurs de stockage pour dispositif d'imagerie à l'état solide La présente invention concerne de manière générale les dispositifs d'imagerie, et plus précisément un réseau de condensateurs de stockage pour imageurs à rayonnement à l'état solide.
Les imageurs à rayonnement à l'état solide comprennent typiquement un dispositif d'imagerie à grand panneau plat comprenant une pluralité de 10 pixels agencés en rangées et colonnes. Chaque pixel comporte typiquement un capteur optique, comme une photodiode, couplé via un transistor de commutation (par exemple un transistor à effet de champ à couches minces) à deux lignes d'adresse distinctes, une ligne de balayage et une ligne de données.
Dans chaque rangée de pixels, chaque transistor de commutation respectif est 15 couplé à une ligne de balayage commune via l'électrode de grille de ce transistor. Dans chaque colonne de pixels, l'électrode de lecture du transistor (par exemple l'électrode de source du transistor) est couplée à une ligne de données. Au cours du fonctionnement nominal, le rayonnement (tel qu'un flux de rayons X) est émis et les rayons X traversant le sujet en train d'être examiné 20 arrivent sur le réseau d'imagerie. Le rayonnement est incident sur un matériau de scintillateur et les capteurs optiques des pixels mesurent (grâce à la variation de la charge aux bornes de la diode) la quantité de lumière produite par l'interaction des rayons X avec le scintillateur. En variante, les rayons X peuvent générer directement des paires électron-trou dans le capteur optique 25 (fonctionnement couramment appelé "détection directe"). Les données de charge des capteurs optiques sont lues en validant séquentiellement les rangées de pixels (en appliquant un signal à la ligne de balayage qui rend passants les transistors de commutation couplés à cette ligne de balayage), et en lisant le signal à partir des pixels respectifs ainsi validés via des lignes de données 30 respectives (le signal de charge de photodiode étant couplé à la ligne de données via le transistor de commutation conducteur et l'électrode de lecture associée couplée à une ligne de données). De cette manière, un pixel donné peut être adressé à travers une combinaison de la validation d'une ligne de balayage couplée au pixel et de la lecture sur la ligne de données couplée au pixel.
Un problème rencontré avec ces imageurs à rayonnement à l'état solide est la gamme dynamique limitée. Le niveau de signal maximal qui peut 5 être manipulé est proportionnel à la tension de polarisation aux bornes de la photodiode (typiquement de 1 à 10 V) et à la capacité de la photodiode (typiquement de 0,4 à 0,8 pF pour un pas de 100 micromètres, proportionnelle au carré du pas). Le fait d'augmenter la tension ou la capacité pour augmenter la gamme dynamique présente divers inconvénients, parmi lesquels des 10 courants de fuite plus importants ou des défauts ponctuels plus nombreux.
Typiquement, dans les applications aux rayons X, le niveau de signal maximum des rayons X peut être augmenté en diminuant la quantité de lumière arrivant sur la photodiode par rayon X. Un effet résultant d'une telle solution est l'augmentation correspondante de la sensibilité au bruit 15 électronique et donc un effet néfaste sur le niveau de signal minimum.
Il serait par conséquent souhaitable de proposer un imageur à rayonnement à l'état solide pour permettre une plus grande gamme dynamique et améliorer la qualité piotographique de l'image.
Brièvement, selon un mode de réalisation de l'invention, on propose 20 un réseau de condensateurs de stockage pour imageur. L'imageur comprend une pluralité de pixels disposés sur un substrat suivant un dessin de réseau d'imagerie comprenant des rangées et des colonnes. Chaque pixel comprend un capteur optique respectif couplé à un transistor de commutation à couches minces respectif. Une pluralité de lignes de balayage sont disposées à un 25 premier niveau par rapport au substrat le long d'un premier axe du dessin de réseau d'imagerie. Chaque rangée de pixels du dessin de réseau d'imagerie a une ligne de balayage respective. Chacune des lignes de balayage respectives est couplée à une électrode de grille respective des transistors de commutation à couches minces, pour chaque pixel disposé dans la rangée de pixels 30 respective du dessin de réseau d'imagerie. Une pluralité de lignes de données sont disposées à un deuxième niveau par rapport au substrat le long d'un deuxième axe du dessin de réseau d'imagerie. Chaque colonne de pixels du dessin de réseau d'imagerie a une ligne de données correspondante. Chacune des lignes de données respectives est couplée à une électrode de lecture respective des transistors de commutation à couches minces pour chaque pixel disposé dans la colonne de pixels respective du réseau d'imagerie. Un réseau de condensateurs de stockage comprenant une pluralité de condensateurs est placé sur le substrat. Chaque condensateur de la pluralité de condensateurs 5 comprend une première électrode, une deuxième électrode et un diélectrique placé entre la première électrode et la deuxième électrode. La première électrode est couplée à un capteur optique correspondant et à un transistor de commutation à couches minces correspondant, et la deuxième électrode est couplée à une électrode linéaire de condensateur.
Ces caractéristiques, aspects et avantages, ainsi que d'autres, de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels des caractères similaires représentent des parties similaires dans tous les dessins, et o: la figure lA est une vue en plan d'une partie d'un imageur selon l'art 15 antérieur; la figure lB est une vue en coupe partielle d'un pixel représentatif prise suivant la ligne I-I de la figure lA; la figure 2 est un schéma de circuit d'un dessin de réseau d'imagerie de l'imageur montré sur les figures 1A et lB; et la figure 3 est un schéma de circuit d'un imageur muni d'un réseau de condensateurs de stockage selon un mode de réalisation de la présente invention.
Un imageur à rayonnement à l'état solide 100 comprend une pluralité de pixels 110 (un pixel représentatif étant représenté en figure 1 A) qui sont 25 disposés selon un dessin de réseau d'imagerie du type matrice comprenant des rangées et des colonnes de pixels 110. A des fins d'illustration et non de limitation, l'imageur 100 a un premier axe 101 qui est l'axe le long duquel sont alignées les rangées de pixels, et un deuxième axe 102 qui est l'axe le long duquel sont alignées les colonnes de pixels. Chaque pixel 110 comprend 30 un capteur optique 120 et un transistor de commutation à couches minces 130.
Le capteur optique 120 comprend typiquement une photodiode composée en partie d'une électrode de pixel inférieure 122 qui correspond substantiellement avec la zone active (c'est-à-dire photosensible) du dispositif. Le transistor de commutation 130 comprend typiquement un transistor à effet de champ (FET) à couches minces ayant une électrode de grille 132, une électrode de drain 134 et une électrode de source (ou électrode de lecture) 136. L'imageur 100 comprend en outre une pluralité de lignes de données 140 et de lignes de balayage 150 (désignées collectivement sous le nom de "lignes d'adresses"). 5 Au moins une ligne de balayage 150 est disposée suivant le premier axe 101 pour chaque rangée de pixels du dessin de réseau d'imagerie. Chaque ligne de balayage est couplée aux électrodes de grille respectives 132 des pixels de cette rangée de pixels. Au moins une ligne de données 140 est disposée suivant le deuxième axe 102 pour chaque colonne de pixels du dessin de réseau 10 d'imagerie, et est couplée aux électrodes de lecture 136 respectives des pixels de cette colonne de pixels.
Une vue en coupe partielle d'un pixel 110 est présentée en figure 1B.
La photodiode 120 est placée sur un substrat 105. Une première couche de matériau diélectrique 121 est typiquement placée entre l'électrode de pixel 122 15 et le substrat 105. La photodiode 120 comprend en outre un corps de matériau photosensible 124 (qui comprend typiquement du silicium amorphe) qui est couplé électriquement à une électrode commune 126 qui est placée sur le réseau d'imagerie. L'électrode commune 126 comprend un matériau optiquement transparent et électriquement conducteur, tel qu'un oxyde 20 indium-étain ou similaire. Une deuxième couche de matériau diélectrique 123, comprenant typiquement du nitrure de silicium ou similaire, s'étend sur une partie des parois latérales du corps de matériau photosensible 124, et une troisième couche diélectrique 125, comprenant du polyimide ou un matériau similaire, est placée entre l'électrode commune 126 et les autres composants 25 du réseau d'imagerie (excepté le point de contact menant au corps de matériau photosensible 124 via une traversée pratiquée dans la deuxième couche de matériau diélectrique 123 et la troisième couche diélectrique 125).
La figure 2 est un schéma de circuit de l'imageur 100 montré sur les figures lA et lB. La figure 2 montre la pluralité de pixels 110, dans laquelle 30 chaque pixel comprend un capteur optique 120, comme une photodiode, et un transistor de commutation à couches minces 130, comme un transistor FET, ayant une électrode de grille 132, une électrode de drain 134 et une électrode de source (ou électrode de lecture) 136. Le dessin de réseau d'imagerie de la figure 2 montre également la pluralité de lignes de données 140 et de lignes de balayage 150.
La figure 3 est un schéma de circuit d'un imageur 200 selon un mode de réalisation de la présente invention. L'imageur 200 est similaire à l'imageur 5 100 montré sur les figures lA et lB et sur la figure 2, excepté le fait que cet imageur comprend un réseau de condensateurs de stockage. L'imageur 200 comprend une pluralité de pixels 110 placés sur un substrat en un motif de réseau d'imagerie comprenant des rangées et des colonnes. Dans un mode de réalisation, le substrat est fait d'un verre ayant un coefficient de dilatation 10 thermique similaire à celui du silicium. Chaque pixel comprend un capteur optique 120 respectif couplé à un transistor de commutation à couches minces respectif.
L'imageur 200 comprend en outre une pluralité de lignes de balayage et une pluralité de lignes de données 140. Les lignes de données et les 15 lignes de balayage sont isolées électriquement par une ou des couche(s) diélectriques minces déposées.
L'imageur 200 comprend en outre le réseau de condensateurs de stockage. Le réseau de condensateurs de stockage comprend une pluralité de condensateurs 241 disposés sur le substrat. Chaque condensateur 241 20 comprend une première électrode 291, une deuxième électrode 296 et un diélectrique placé entre la première électrode et la deuxième électrode, respectivement.
Le diélectrique, dans un mode de réalisation, est constitué d'un film mince de nitrure de silicium qui est le même film mince utilisé pour la couche 25 de diélectrique de la grille de transistor à couches minces. Chacune des premières électrodes 291 est couplée à un capteur optique 120 correspondant et à un transistor de commutation à couches minces 130 correspondant, respectivement. Des deuxièmes électrodes 296 sont couplées à une électrode linéaire 251 de condensateur. Dans un mode de réalisation, la deuxième 30 électrode comprend l'électrode linéaire de condensateur.
L'électrode linéaire de condensateur est couplée à un bord du réseau de condensateurs. Le bord se rapporte aux bords du réseau. Aux bords du réseau, toutes les électrodes linéaires sont couplées ensemble, soit par le même métal, soit par des métaux utilisés pour d'autres couches. En outre, au bord, l'électrode linéaire de condensateur est couplée à l'électrode de polarisation pour la photodiode 120, complétant ainsi la configuration électrique parallèle entre les condensateurs et les diodes. En couplant effectivement les condensateurs de stockage, la tension de polarisation est appliquée aux bords 5 du réseau, ce qui permet d'éviter la nécessité d'appliquer la tension de polarisation à chaque pixel. Cet agencement maximise le facteur de remplissage des pixels.
Le réseau de condensateurs comprend de plus une pluralité de ponts 271 couplés entre les électrodes linéaires de condensateur 251 adjacentes pour 10 la redondance. Par exemple, si l'électrode linéaire est coupée en plusieurs endroits au cours d'un processus de réparation, ce qui se traduit par des sections qui se retrouvent électriquement isolées, les ponts assurent que les électrodes linéaires restent couplées entre elles. En ajoutant cette redondance, la probabilité d'avoir des sections électriquement isolées ou flottantes est 15 fortement réduite.
Le réseau de condensateurs comprend en outre une pluralité d'électrodes étroites sous une pluralité de points d'intersection correspondant au point d'intersection entre la pluralité de lignes de données et la pluralité de lignes de balayage et au point d'intersection entre la pluralité de lignes de 20 données et la pluralité de ponts. En figure 3, les points 264 et 275 sont des points d'intersection.
Dans l'imageur 200, chaque condensateur de stockage est conçu pour stocker une charge plus importante que la photodiode à laquelle il est couplé, augmentant ainsi la capacité de stockage de charge de chaque pixel tout en 25 évitant les problèmes associés à l'utilisation de photodiodes plus minces (défauts ponctuels) ou de tensions de polarisation élevées (courants de fuites élevés). De plus, puisqu'une quantité significative de la charge est stockée dans le condensateur, un niveau de signal donné provoque une variation de polarisation plus petite aux bornes de la photodiode, ce qui conduit à moins 30 d'inertie. La capacité de stockage de charge élevée maximise le gain de la photodiode sans saturer le pixel, ce qui à son tour permet une réduction de la sensibilité au bruit électronique. En outre, puisqu'il est plus facile de contrôler l'uniformité du dépôt des diélectriques, l'uniformité de la capacité des pixels sur un dispositif d'imagerie de grande taille est améliorée.
En outre, il existe d'autres avantages pour cette conception particulière. En particulier, la pluralité d'électrodes linéaires de condensateur est parallèle à la pluralité de lignes de données afin de minimiser les courants transitoires dans les électrodes linéaires au cours d'une opération de lecture de 5 données par l'imageur. Ainsi, lorsqu'une ligne de balayage est polarisée, les charges de pixel et de condensateur correspondantes sont déchargées via la ligne de données et l'électrode de condensateur linéaire correspondante, réduisant ainsi le courant transitoire dans chaque électrode de condensateur linéaire. Le fait de réduire les courants transitoires améliore la fiabilité des 10 électrodes et des conducteurs qui relient diverses couches et améliore les performances de l'imageur parce que les courants importants produisent de fortes excursions de tensions transitoires dues à une résistance de ligne finie.
De plus, le réseau de condensateurs de stockage assure que toutes les lignes polarisées dans l'imageur sont immunisées contre les coupures et les courts15 circuits.
Dans un autre mode de réalisation, chacune des électrodes linéaires est placée sous une ligne de balayage correspondante parmi la pluralité de lignes de balayage, et est divisée en deux électrodes parallèles pour augmenter la probabilité de réparation réussie d'un court-circuit. Si l'un quelconque des 20 croisements est court-circuité, le croisement court-circuité peut être coupé au moyen d'un laser ou par tout autre procédé. La continuité électrique de la ligne 251 ne sera pas menacée.
Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention ont plusieurs avantages, parmi lesquels un dessin pour un réseau de 25 condensateurs à faible taux de défauts qui minimise les courts-circuits et le courant transitoire sur les électrodes des condensateurs, améliorant ainsi la qualité d'image de l'imageur.
Liste d'éléments Imageur à rayonnement à l'état solide Pixels 101 Premier axe 102 Deuxième axe Substrat Capteur optique 121 Electrode de pixel 123 Deuxième matériau diélectrique 124 Matériau photosensible Troisième matériau diélectrique Transistor de commutation 132 Electrode de grille 134 Electrode de drain 136 Electrode de source Lignes de données 150 Lignes de balayage Imageur 241 Condensateurs 251 Electrode linéaire de condensateur 264 Point d'intersection 271 Ponts 275 Point d'intersection 291 Première électrode 296 Deuxième électrode
Claims (9)
1. Imageur (200), caractérisé en ce qu'il comprend: une pluralité de pixels (110) placés sur un substrat (105) dans un dessin de réseau d'imagerie comprenant des rangées et des colonnes, chacun 5 desdits pixels comprenant un capteur optique (120) respectif couplé à un transistor de commutation à couches minces (130) respectif; une pluralité de lignes de balayage (150) disposées à un premier niveau par rapport audit substrat le long d'un premier axe dudit dessin de réseau d'imagerie, chaque rangée de pixels dudit dessin de réseau d'imagerie 10 ayant une ligne de balayage respective, chacune desdites lignes de balayage respectives étant couplée à une électrode de grille respective (132) desdits transistors de commutation à couches minces, pour chaque pixel disposé dans la rangée de pixels respective dudit dessin de réseau d'imagerie; une pluralité de lignes de données (140) disposées à un deuxième 15 niveau par rapport audit substrat le long d'un deuxième axe dudit dessin de réseau d'imagerie, chaque colonne de pixels dudit dessin de réseau d'imagerie ayant une ligne de données correspondante, chacune desdites lignes de données respectives étant couplée à une électrode de lecture (136) respective desdits transistors de commutation à couches minces pour chaque 20 pixel disposé dans la colonne de pixels respective dudit réseau d'imagerie, et un réseau de condensateurs de stockage comprenant une pluralité de condensateurs (241) placé sur le substrat, chaque condensateur de la pluralité de condensateurs comprenant une première électrode (291), une deuxième électrode (296) et un diélectrique placé entre la première électrode et la 25 deuxième électrode, la première électrode étant couplée à un capteur optique correspondant et à un transistor de commutation à couches minces correspondant, et la deuxième électrode étant couplée à une électrode linéaire (251) de condensateur.
2. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode 30 linéaire de condensateur est couplée à un bord du réseau de condensateurs, o une tension de polarisation est appliquée au bord du réseau.
3. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de ponts (271) couplés entre les électrodes linéaires de condensateur adjacentes pour la redondance.
4. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend 5 en outre une pluralité d'électrodes étroites sous une pluralité de points d'intersection (264), chaque point de la pluralité de points d'intersection correspondant au point d'intersection entre la pluralité de lignes de données et la pluralité de lignes de balayage et au point d'intersection entre la pluralité de lignes de données et la pluralité de ponts.
5. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité d'électrodes linéaires est parallèle à la pluralité de lignes de données afin de minimiser les courants transitoires dans les électrodes linéaires au cours d'une opération de lecture de données par l'imageur.
6. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des 15 électrodes linéaires placée sous une ligne de balayage correspondante parmi la pluralité de lignes de balayage est divisée en deux électrodes parallèles pour la redondance.
7. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pluralité de lignes de données est électriquement isolée de la pluralité de lignes de 20 balayage.
8. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode comprend l'électrode linéaire de condensateur.
9. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imageur est un imageur à rayons X.
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