FR2947383A1 - Capteur d'images a transfert de charges multidirectionnel a deux phases. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur et comportant une matrice d'électrodes (33, 37) réparties en rangées (31, 35) et en colonnes (55), dans lequel : chaque électrode (33, 37) est formée dans une cavité à parois isolées constituée d'une rainure qui s'étend généralement dans la direction des rangées, dont une première extrémité est plus proche d'une rangée supérieure et une seconde extrémité est plus proche d'une rangée inférieure ; et les électrodes de deux rangées adjacentes sont symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée.
Description
B9663 - 09-GR3-144 1 CAPTEUR D'IMAGES À TRANSFERT DE CHARGES MULTIDIRECTIONNEL À DEUX PHASES Domaine de l'invention La présente invention concerne les dispositifs à transfert de charges ou dispositifs CCD (de l'anglais "Charge Coupled Devices"). Elle vise plus particulièrement un dispositif matriciel CCD à deux phases dans lequel des paquets de charges de deux lignes adjacentes sont transférés selon des directions opposées. Ci-après on décrira une application préférée à un capteur d'images CCD, étant entendu que la présente invention peut s'appliquer à tout type de dispositifs CCD.
Exposé de l'art antérieur Le transfert des charges dans un dispositif CCD est souvent réalisé en quatre phases, c'est-à-dire que le décalage d'un paquet de charges, d'un pixel à un pixel adjacent, est réalisé en quatre temps correspondant à quatre périodes d'une horloge de pilotage du transfert. Les figures 1A à 1C représentent de façon schématique une portion d'un capteur d'images à transfert de charges à quatre phases. La figure 1A est une vue de dessus, la figure 1B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 1A et la figure 1C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 1A.
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2 Sur un substrat 1 de silicium dopé de type P, est disposée une couche 3 dopée de type N. Le substrat 1 et la couche 3 constituent la zone de photoconversion du capteur. La partie supérieure de la zone de photoconversion est divisée en une pluralité de lignes 5 séparées par des rangées d'isolement 7, constituées par exemple de tranchées remplies d'oxyde. Au dessus de la couche 3, sont disposées des colonnes d'électrodes isolées 9, par exemple en silicium polycristallin, équidistantes et perpendiculaires aux lignes 5. Une mince couche d'oxyde 11 déposée à la surface de la couche 3, isole les électrodes 9 de la couche 3. Les électrodes 9, convenablement polarisées, définissent dans chaque ligne 5 une succession de puits de potentiel dans lesquels des charges électriques peuvent s'accumuler. Dans l'exemple représenté, un pixel est défini dans chaque ligne par quatre électrodes successives G1 à G4. Le puits de potentiel correspondant à un tel pixel est créé par application d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de 5 V aux électrodes G2 et G3, et d'un potentiel bas, inférieur au potentiel haut, par exemple de l'ordre de 0 V, aux électrodes G1 et G4. Au cours d'une période d'acquisition d'image, le capteur est éclairé 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. La lumière d'éclairement doit traverser les électrodes 9 et la couche d'isolement 11. L'épaisseur de la région active du capteur, constituée essentiellement par le substrat 1 et la couche 3, est suffisante pour absorber les photons quelles que soient leurs longueurs d'onde dans le spectre utile. Après la période d'acquisition, il est prévu une période de transfert, au cours de laquelle les charges accumulées dans les puits de potentiel sont transférées, dans le sens des flèches 13, en parallèle pour la pluralité de colonnes B9663 - 09-GR3-144
3 et en série pour les pixels d'une même ligne 5, vers des circuits de lecture et/ou de mémorisation. Le décalage des charges est assuré par des modifications successives des potentiels appliqués aux électrodes.
La figure 2 illustre de façon schématique un mode simple de transfert à quatre phases des charges d'un puits à un puits adjacent par commutation, entre des états haut et bas, des potentiels c1, 42, c3, 4.4 appliqués aux électrodes G1, G2, G3, G4 de chaque pixel.
A un instant tO correspondant à la fin d'une période d'acquisition d'image, des charges, représentées par les zones hachurées de la figure, sont stockées dans des puits de potentiel formés par application d'un potentiel haut sur les électrodes G2 et G3 et d'un potentiel bas sur les électrodes G1 et G4. A un instant tO + T, T étant la période d'horloge de pilotage du transfert des charges, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G2 et G4. Ainsi, le décalage des puits de potentiel entraîne le décalage, en synchronisme, des paquets de charge vers la droite. Pour faciliter le transfert, l'électrode G4 sera mise au potentiel haut avant que l'électrode G2 ne soit mise au potentiel bas. A un instant tO + 2T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G1 et G3. A un instant tO + 3T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G2 et G4. Enfin, à un instant tO + 4T, on commute les potentiels appliqués aux électrodes G1 et G3. Ainsi, à la quatrième période d'horloge après l'instant tO, les charges accumulées dans un puits de potentiel en regard d'un pixel ont été décalées vers un puits de potentiel en regard d'un pixel adjacent de la même ligne. A la sortie du capteur, les paquets de charge décalés peuvent être convertis en tensions électriques par des circuits adaptés, pour former un signal d'image.
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4 Bien entendu, la période de transfert est courte par rapport à la période d'acquisition. A titre d'exemple, la période d'acquisition est de l'ordre de 20 à 50 ms et la fréquence d'horloge de commutation des électrodes peut être supérieure à 2 MHz, ce qui donne une durée de transfert inférieure à 2 ms pour une ligne de 1000 pixels et un décalage en quatre phases. Afin de réduire la période de transfert et de simplifier les circuits de commutation des électrodes, on a proposé des capteurs à transfert de charges à deux phases. La figure 3 représente de façon schématique une portion d'un exemple de capteur d'images à transfert de charges à deux phases. La figure 3 est une vue en coupe selon le même plan que la figure 1B, précédemment décrite. La structure du capteur de la figure 3 est proche de celle du capteur à quatre phases décrit en relation avec les figures 1A à 1C. Dans le capteur à deux phases, comme dans le capteur à quatre phases, un pixel est défini, dans chaque ligne, par quatre électrodes successives G1 à G4. La couche 3 est divisée en colonnes alternées de deux niveaux de dopage distincts, sous des électrodes 9. Dans l'exemple représenté, les colonnes de la couche 3 sous les électrodes G1 et G3 ont un dopage d'un premier niveau N1 et les colonnes de la couche 3 sous les électrodes G2 et G4 ont un dopage d'un second niveau N2 supérieur à N1. Les électrodes G1 et G2 d'une part et G3 et G4 d'autre part sont reliées entre elles, par exemple par des niveaux de métallisation non représentés. La figure 4 illustre de façon schématique l'accumulation, au cours d'une période d'acquisition d'image, d'électrons photogénérés dans des puits de potentiel formés par application des potentiels (D1, 42 aux électrodes G1, G2, G3, G4 de chaque pixel. La figure 4 illustre en outre un mode simple de transfert à deux phases des électrons, d'un puits à un puits adjacent, par commutation entre des états haut et bas des potentiels (D1 et 42.
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A un instant tO correspondant à la fin d'une période d'acquisition d'image, des charges, représentées par les zones hachurées de la figure, sont stockées dans des puits de potentiel formés par application d'un potentiel bas, par exemple 5 de l'ordre de 0 V, sur les électrodes G1 et G2 et d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de 5 V, sur les électrodes G3 et G4. Lorsque deux électrodes adjacentes sont mises à un même potentiel, les électrons photogénérés s'accumulent dans la portion de couche N correspondante de plus fort niveau de dopage (le niveau N2 de la figure 3). En outre, lorsque deux électrodes adjacentes sont mises à des potentiels respectivement haut et bas, les électrons s'accumulent dans la région de couche N sous l'électrode de potentiel haut. Ainsi, à l'instant tO, des paquets de charges correspondant à des points de l'image acquise sont stockés dans la couche N, principalement sous les électrodes G4 de chaque pixel. A un instant tO + T, T étant la période d'horloge de pilotage du transfert des charges, on commute les potentiels c1 et 4.2 appliqués aux électrodes G1, G2 et G3, G4 de façon à augmenter le potentiel électrostatique sous les électrodes G1 et G2 et à diminuer le potentiel électrostatique sous les électrodes G3 et G4. Il en résulte un déplacement des puits de potentiel qui entraîne le décalage, en synchronisme, des paquets de charges vers la droite. Ainsi, à la seconde période d'horloge après l'instant tO, les charges accumulées dans un puits de potentiel sous un pixel ont été décalées vers un puits de potentiel sous un pixel adjacent de la même ligne. A titre d'exemple, pour une fréquence d'horloge de commutation des électrodes supérieure à 2 MHz, la durée de transfert est inférieure à 1 ms pour une ligne de 1000 pixels et un décalage en deux phases. Un inconvénient des capteurs CCD à deux phases du type décrit en relation avec la figure 3 est que leur réalisation est complexe par rapport à la réalisation des capteurs à quatre phases. En effet, les colonnes adjacentes du capteur à deux B9663 - 09-GR3-144
6 phases diffèrent par leur niveau de dopage. Pour la fabrication d'un tel capteur il faut prévoir deux séquences successives de formation des électrodes. Lors d'une première séquence, on forme une première alternance d'électrodes G1, G3 (figure 3), à la surface d'une couche N uniformément dopée à un premier niveau N1. Une étape d'implantation est alors réalisée pour obtenir, dans les régions de la couche N non masquées par les premières électrodes G1 et G3, un niveau de dopage N2 supérieur à N1. Puis, lors d'une seconde séquence, on forme une seconde alternance d'électrodes G2, G4, intercalées entre les premières électrodes G1 et G3. Ainsi, un inconvénient des capteurs CCD à quatre phases est que le mode de commutation des potentiels appliqués aux électrodes est complexe par rapport aux capteurs à deux phases. Un inconvénient des capteurs à deux phases est que leur réalisation est plus difficile que celle des capteurs à quatre phases. Dans les capteurs CCD à deux ou quatre phases décrits ci-dessus, il est prévu, à la sortie des lignes de transfert de charges, des circuits de lecture et/ou mémorisation adaptés à convertir les paquets de charge décalés en tensions électriques pour former un signal d'image. L'encombrement de ces circuits est important. Afin d'optimiser le positionnement des circuits de sortie et de réduire l'encombrement global, on a proposé des capteurs CCD bidirectionnels, adaptés à transférer des lignes de pixels adjacentes selon des directions opposées. Pour réaliser de tels circuits on prévoit de diviser chaque ligne de pixels en deux lignes distinctes et de doubler le nombre d'électrodes. Ceci permet de commuter simultanément des électrodes distinctes selon des séquences distinctes, de façon à commander le transfert des charges dans deux demi-lignes adjacentes selon des directions opposées. Un inconvénient de ces capteurs bidirectionnels est que la multiplication du nombre d'électrodes rend leur fabrication complexe par rapport aux capteurs CCD mono- B9663 - 09-GR3-144
7 directionnels. Un autre inconvénient de ces capteurs est que la commutation des potentiels appliqués aux électrodes est complexe par rapport à celle des capteurs monodirectionnels. Un inconvénient général des capteurs CCD décrits ci- dessus est que la lumière doit traverser les électrodes de commande de transfert en silicium polycristallin. Une partie des photons est donc absorbée dans les électrodes ce qui réduit la sensibilité du capteur. Pour pallier cet inconvénient on peut disposer les électrodes de transfert à côté de la région de photoconversion plutôt qu'au dessus. Toutefois cette solution présente l'inconvénient d'augmenter l'encombrement pour une taille de région de photoconversion donnée. Un autre inconvénient général des capteurs CCD décrits ci-dessus réside dans le fait que la capacité de stockage de charges associée à chaque pixel est limitée par la surface des électrodes et par d'éventuelles recombinaisons de porteurs. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients des capteurs d'images à transfert de charges bidirectionnel à deux phases classiques. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer une structure de capteur d'images à transfert de charges bidirectionnel à deux phases facile à réaliser. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel capteur fonctionnant selon un mode de commutation simplifié. Un objet d'un mode de réalisation de la présente 30 invention est de proposer un tel capteur à sensibilité améliorée et à faible encombrement. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel capteur à forte capacité de stockage de charges.
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8 Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur et comportant une matrice d'électrodes réparties en rangées et en colonnes, dans lequel chaque électrode est formée dans une cavité à parois isolées constituée d'une rainure qui s'étend généralement dans la direction des rangées, dont une première extrémité est plus proche d'une rangée supérieure et une seconde extrémité est plus proche d'une rangée inférieure ; et les électrodes de deux rangées adjacentes sont symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur d'images comprenant un tel dispositif à transfert de charges, adapté à recevoir un rayonnement lumineux.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les électrodes d'une même colonne sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en deux phases. Selon, un mode de réalisation de la présente invention, la dite rainure est constituée d'une partie prin- cipale, orientée selon une rangée, et de deux protubérances, respectivement du côté de la première extrémité et de la seconde extrémité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un élément d'image correspond à l'espace entre deux électrodes successives d'une rangée et deux électrodes successives en regard d'une rangée adjacente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie supérieure du substrat comporte une première couche semiconductrice dopée d'un premier type de conductivité d'un premier niveau de dopage, et une deuxième couche semiconductrice dopée d'un second type de conductivité, recouvrant la première couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première couche est reliée à une borne d'application d'un 35 potentiel de référence.
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9 Selon un mode de réalisation de la présente invention, une troisième couche semiconductrice dopée du premier type de conductivité recouvre la deuxième couche. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 les électrodes sont en silicium polycristallin dopé isolé du substrat par une couche d'oxyde. Selon un mode de réalisation de la présente invention, deux rangées d'éléments d'image adjacentes sont chacune reliées, respectivement d'un premier côté du capteur et d'un second côté 10 du capteur, à un dispositif de lecture adapté à convertir des charges en un signal électrique d'image. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 15 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A, précédemment décrite, est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un capteur CCD à quatre phases ; 20 la figure 1B, précédemment décrite, est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 1A ; la figure 1C, précédemment décrite, est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 1A ; la figure 2, précédemment décrite, illustre le 25 transfert des charges dans un capteur CCD à quatre phases ; la figure 3, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique une portion d'un capteur CCD à deux phases ; la figure 4, précédemment décrite, illustre le 30 transfert des charges dans un capteur CCD à deux phases ; la figure 5A est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un capteur CCD bidirectionnel à deux phases selon un mode de réalisation de la présente invention ; B9663 - 09-GR3-144
10 la figure 5B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 5A ; la figure 5C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 5A ; la figure 6 est une vue en perspective partielle du capteur des figures 5A à 5C ; la figure 7 est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un autre exemple de capteur CCD bidirectionnel à deux phases selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 8 illustre de façon schématique le transfert des charges dans le capteur CCD bidirectionnel à deux phases décrit en relation avec les figures 5A à 5C et 6. Description détaillée Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans les exemples de capteurs décrits ici, les électrodes de transfert des charges sont disposées verti- calement, en profondeur dans la zone de photoconversion du substrat. Les figures 5A à 5C représentent de façon schématique une portion d'un exemple de capteur d'images à transfert de charges bidirectionnel à deux phases. La figure 5A est une vue de dessus, la figure 5B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 5A, et la figure 5C est une vue en coupe selon le plan C-C de la figure 5A. La figure 6 est une vue en perspective représentant de façon schématique une partie des figures 5A à 5C.
Sur un substrat 21 de silicium dopé de type P, est disposée une couche 23 dopée de type N. La couche 23 et éventuellement la partie supérieure du substrat 21 constituent la zone de photoconversion du capteur. Une mince couche 25 dopée de type P est formée à la surface de la couche 23. La couche 25 a notamment pour rôle d'éviter la présence d'une interface entre B9663 - 09-GR3-144
11 la face supérieure de la couche 23 et une couche supérieure (non représentée) d'oxyde de silicium. En effet, la présence d'une interface entre la couche 23 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 autre rôle de la couche 25 est de maintenir une tension de référence dans la couche 23. La zone de photoconversion est divisée en une alternance de lignes parallèles 27 et 29, séparées par une alternance de rangées 31 d'électrodes isolées 33 d'un premier type et de rangées 35 d'électrodes isolées 37 d'un second type. Les électrodes 33 et 37 s'étendent verticalement dans la zone de photoconversion, par exemple à travers les couches 25, 23, et 21. Chaque électrode est formée dans une cavité emplie de silicium polycristallin dopé isolé du substrat par une couche d'oxyde 40. Cette cavité comporte une partie principale 39 en forme de rainure, orientée selon une rangée 31 ou 35, et présentant à chacune de ses extrémités une protubérance. Dans l'exemple représenté, chaque électrode 33 comporte, vers son extrémité gauche, une protubérance 41 en direction de la ligne adjacente inférieure 27, et vers son extrémité droite, une protubérance 43 en direction de la ligne adjacente supérieure 29, et chaque électrode 37 comporte, vers son extrémité gauche, une protubérance 47 en direction de la ligne adjacente supérieure 27, et vers son extrémité droite, une protubérance 49 en direction de la ligne adjacente inférieure 29. Dans l'exemple représenté, les protubérances 41, 43, 47, 49 sont en forme de portions de rainures orthogonales aux rainures 39, toutefois, elles peuvent avoir toute autre forme. Les électrodes de deux rangées adjacentes sont en regard deux à deux selon des colonnes 55. Les électrodes 33, 37, convenablement polarisées, définissent dans chaque ligne 27, 29, une succession de puits de potentiel dans lesquels des charges électriques peuvent s'accumuler. Dans l'exemple représenté, un pixel est défini par B9663 - 09-GR3-144
12 la région comprise entre deux électrodes successives G11, G12 d'une rangée 31, et les deux électrodes en regard correspondantes G11, G12 d'une rangée 35 adjacente. En pratique, dans cet exemple, toutes les électrodes d'une même colonne 55 sont reliées entre elles et sont mises à un même potentiel. Il convient de disposer convenablement les électrodes pour éviter d'éventuelles fuites de charges d'une ligne de pixels vers une ligne adjacente. On choisira par exemple de préférence de positionner les électrodes de façon que la plus faible distance el entre deux électrodes adjacentes d'une même colonne soit supérieure à la plus faible distance e2 entre deux électrodes adjacentes d'une même ligne. 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 21 est relié, en fonctionnement, à un potentiel de référence, par exemple la masse, permettant l'écoulement des trous issus de la photo-conversion. La profondeur des électrodes 33 et 37 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 des photons incidents sont en majorité susceptibles de créer des paires électron-trou (par exemple 9 m pour du rouge). La polarisation des électrodes est telle que les électrons photogénérés s'accumulent dans la couche 23 de type N, dans un volume 57 délimité de façon schématique par des traits en pointillés aux figures 5A et 5C. On notera qu'il n'existe pas d'interface directe entre le volume 57 d'accumulation des électrons et la couche d'oxyde 40 d'isolation des électrodes 33 et 37, ni avec une couche d'oxyde supérieure, ce qui évite des B9663 - 09-GR3-144
13 pertes de charge ou une augmentation du courant d'obscurité à l'interface. Pour obtenir une capacité de stockage de charges maximale entre les électrodes, l'épaisseur de la couche 23 est de préférence proche de la profondeur des électrodes 33, 37. Ainsi, la zone de photoconversion est essentiellement constituée par la couche 23 de type N. Après la période d'acquisition, il est prévu une période de transfert, au cours de laquelle les charges accumulées dans les puits de potentiel sont transférées, dans le sens représenté par la flèche 51 (de gauche à droite dans cet exemple) pour les lignes 27 et en sens opposé, représenté par la flèche 53, pour les lignes 29, en parallèle pour la pluralité de colonnes et en série pour les pixels d'une même ligne, vers des circuits de lecture et/ou de mémorisation. Le décalage des charges est assuré par des commutations successives, entre des états haut et bas, en deux phases, des potentiels appliqués aux électrodes G11 et G12. On a décrit ci-dessus une forme particulière des électrodes 33 et 37. De façon générale, chaque électrode est formée dans une cavité à parois isolées constituée d'une rainure qui s'étend généralement dans la direction des rangées, dont une première extrémité est plus proche d'une rangée supérieure et une seconde extrémité est plus proche d'une rangée inférieure.
Les électrodes de deux rangées adjacentes sont symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée. La figure 7 est une vue de dessus représentant de façon schématique un autre exemple de forme d'électrodes d'un capteur CCD bidirectionnel à deux phases. Chaque électrode est formée dans une cavité parallélépipédique à parois isolées constituée d'une rainure emplie de silicium polycristallin dopé, formant un angle î, par exemple compris entre 10 et 45 degrés, avec la direction des rangées. Les électrodes de deux rangées B9663 - 09-GR3-144
14 adjacentes sont symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée. Il convient de disposer convenablement les électrodes pour éviter d'éventuelles fuites de charges d'une ligne de pixels vers une ligne adjacente. On pourra par exemple prévoir, à une extrémité de chaque électrode, une protubérance 60 représentée en traits pointillés, disposées de façon que la plus faible distance el entre deux électrodes adjacentes d'une même colonne soit supérieure à la plus faible distance e2 entre deux électrodes adjacentes d'une même ligne. La figure 8 illustre de façon schématique l'accumulation, au cours d'une période d'acquisition d'image, d'électrons photogénérés dans des puits de potentiel formés par application des potentiels c11, c12 aux électrodes G11, G12 des pixels du capteur CCD décrit en relation avec les figures 5A à 5C et 6. La figure 8 illustre en outre un mode simple de transfert à deux phases des électrons, d'un puits à un puits adjacent, selon des directions opposées dans des lignes adjacente, par commutation entre des états haut et bas des potentiels c11 et X12. Les courbes 61 et 63 représentent la forme des puits de potentiel respectivement dans des lignes 27 et 29, adjacentes. A un instant t0 correspondant à la fin d'une période d'acquisition d'image, des charges, représentées par les zones hachurées de la figure, sont stockées dans des puits de potentiel formés par application d'un potentiel bas, par exemple de l'ordre de 0 V, sur les électrodes G11 et d'un potentiel haut, par exemple de l'ordre de 5 V, sur les électrodes G12. Lorsque deux électrodes G11 en regard sont mises à un même potentiel, les électrons photogénérés dans la ligne 27 ou 29 qui passe entre ces deux électrodes, s'accumulent principalement dans la région de la couche N comprise entre les portions d'électrodes ne présentant pas de protubérance en direction de cette ligne. Dans l'exemple décrit ici, les électrons s'accumulent du côté droit des électrodes dans les lignes 27 et B9663 - 09-GR3-144
15 du côté gauche des électrodes dans les lignes 29. En outre, lorsque deux paires adjacentes d'électrodes en regard sont mises à des potentiels respectivement haut et bas, les électrons s'accumulent dans la région de la couche N comprise entre les électrodes de potentiel haut. Ainsi, à l'instant t0, dans une ligne donnée, des paquets de charges correspondant à des points de l'image acquise sont stockés dans la couche N, principalement dans la région comprise entre les portions d'électrodes G12 ne présentant pas de protubérance en direction de cette ligne (volume 57 des figures 5A et 5C). Tout autre mode de polarisation des électrodes pendant la phase d'acquisition est envisageable. A tire d'exemple, on peut appliquer un même potentiel positif, négatif, ou nul, aux électrodes G11 et G12 pendant la phase d'acquisition de façon à réduire les courants d'obscurité. Dans ce cas, les charges s'accumulent dans deux puits de potentiel distincts, avant d'être rassemblées dans un même puits (volume 57 des figures 5A et 5C) au moment du transfert. A un instant t0 + T, T étant la période d'horloge de pilotage du transfert des charges, on commute les potentiels c11 et c12 appliqués aux électrodes G11 et G12. Le décalage des puits de potentiel entraîne le décalage, en synchronisme, des paquets de charges, vers la droite les lignes 27 et vers la gauche dans les lignes 29 dans l'exemple représenté. Ainsi, à la seconde période d'horloge après l'instant t0, les charges accumulées dans un puits de potentiel sous un pixel ont été décalées vers un puits de potentiel sous un pixel adjacent de la même ligne, le décalage s'effectuant selon des directions opposées pour des lignes adjacentes.
Un avantage du capteur CCD décrit est qu'il est simple à réaliser. A titre d'exemple, on forme par épitaxie une couche semiconductrice dopée de type N sur un substrat dopé de type P. On dope de type P la partie supérieure de la couche de type N. On réalise par gravure des tranchées étroites dans le substrat.
Ces tranchées sont isolées du substrat par une couche d'oxyde B9663 - 09-GR3-144
16 puis emplies de silicium polycristallin dopé constituant les électrodes. Un contact est pris sur chaque électrode. Un autre avantage du capteur CCD décrit est que la lumière d'éclairement du capteur ne traverse pas les électrodes de commande de transfert des charges. La sensibilité du capteur s'en trouve améliorée et son encombrement n'augmente pas par rapport aux solutions de l'art antérieur. Selon un autre avantage du capteur CCD décrit, la capacité de stockage de charges associée à un pixel est supérieure à celle des solutions de l'art antérieur pour une même surface de pixel. En effet, dans le mode de réalisation proposé, la concentration en dopants et le volume de la couche N des puits de potentiel sont plus importants que lorsque les électrodes sont disposées à la surface du capteur. En outre, la capacité de stockage peut être ajustée en augmentant ou en réduisant la distance entre deux lignes d'électrodes. Selon un autre avantage du capteur CCD décrit, les tensions mises en oeuvre pour le transfert des charges peuvent être diminuées par rapport aux solutions de l'art antérieur puisque deux électrodes adjacentes d'une même colonne coopèrent pour créer les puits de potentiel. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a présenté ci-dessus un mode de réalisation d'un capteur CCD éclairé par la face avant. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché pour un capteur CCD éclairé par la face arrière. En outre, l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en inversant les types de conductivité des couches semiconductrices et en modifiant en conséquence les tensions appliquées. Par ailleurs, on a mentionné dans la description ci-dessus des électrodes en silicium polycristallin dopé et des régions isolantes en oxyde de silicium. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le type de matériau conducteur utilisé pour réaliser B9663 - 09-GR3-144
17 les électrodes et quel que soit le matériau isolant utilisé pour réaliser les régions isolantes. On a décrit ci-dessus des modes de réalisation de capteurs d'images à transfert de charges bidirectionnels à deux phases. Toutefois, la présente invention ne s'applique pas uniquement aux dispositifs d'acquisition d'image. L'homme de l'art saura également mettre en oeuvre un registre à décalage à transfert de charges bidirectionnel à deux phases selon un mode de réalisation décrit ci-dessus, et dans lequel les charges ne sont pas photogénérées mais injectées, par exemple en amont des lignes de transfert. En outre, on a décrit ci-dessus des matrices d'électrodes formant des rangées et des colonnes, les électrodes de deux rangées adjacentes étant symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée. L'homme de l'art saura prévoir, pour les rangées supérieure et inférieure du capteur, toute forme d'électrode adaptée, par exemple des électrodes qui ne sont pas symétriques à celles de la rangée adjacente correspondante.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif à transfert de charges formé dans un substrat semiconducteur (21, 23) et comportant une matrice d'électrodes (33, 37) réparties en rangées (31, 35) et en colonnes (55), dans lequel : chaque électrode (33, 37) est formée dans une cavité à parois isolées constituée d'une rainure qui s'étend généralement dans la direction des rangées, dont une première extrémité est plus proche d'une rangée supérieure et une seconde extrémité est plus proche d'une rangée inférieure ; et les électrodes de deux rangées adjacentes sont symétriques par rapport à un plan orthogonal au capteur et comprenant la direction d'une rangée.
- 2. Capteur d'images comprenant un dispositif à transfert de charges selon la revendication 1, adapté à recevoir 15 un rayonnement lumineux.
- 3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel les électrodes d'une même colonne (55) sont reliées entre elles et sont adaptées à recevoir des signaux de décalage en deux phases (~11, c12) . 20
- 4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la dite rainure est constituée d'une partie principale (39), orientée selon une rangée (31, 35), et de deux protubérances (41, 47 ; 43, 49), respectivement du côté de la première extrémité et de la seconde extrémité. 25
- 5. Capteur selon l'une revendication 2 à 4, dans lequel un élément d'image correspond à l'espace entre deux électrodes successives d'une rangée et deux électrodes successives en regard d'une rangée adjacente.
- 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 30 à 5, dans lequel la partie supérieure du substrat comporte une première couche semiconductrice (21) dopée d'un premier type de conductivité (P) d'un premier niveau de dopage, et une deuxième couche semiconductrice (23) dopée d'un second type de conductivité (N), recouvrant la première couche (21).B9663 - 09-GR3-144 19
- 7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel la première couche (21) est reliée à une borne d'application d'un potentiel de référence.
- 8. Capteur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel 5 une troisième couche (25) semiconductrice dopée du premier type de conductivité (P) recouvre la deuxième couche (23).
- 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel les électrodes (33, 37) sont en silicium polycristallin dopé isolé du substrat par une couche 10 d'oxyde (40).
- 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel deux rangées d'éléments d'image adjacentes sont chacune reliées, respectivement d'un premier côté du capteur et d'un second côté du capteur, à un dispositif de lecture adapté à 15 convertir des charges en un signal électrique d'image.
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