FR2977978A1 - Dispositif de transfert de charges photogenerees haute frequence et applications - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert de charges photogénérées dans une portion (Ch1, Ch2, Ch3, Ch4) d'une couche semiconductrice délimitée par au moins deux tranchées parallèles (32A, 32B, 32C, 32D, 32E), chaque tranchée comprenant, dans sa longueur, au moins une première et une deuxième régions conductrices isolées entre elles et de la couche semiconductrice, comprenant la répétition d'une première étape de polarisation des premières régions conductrices à une première tension de façon à former une accumulation volumique de trous dans la partie de la portion située entre les premières régions, tandis que les deuxièmes régions conductrices sont polarisées à une deuxième tension supérieure à la première tension, et d'une deuxième étape de polarisation des premières régions à la deuxième tension et des deuxièmes régions à la première tension.

Description

B10962 - 11-GR2-0161 1 DISPOSITIF DE TRANSFERT DE CHARGES PHOTOGENEREES HAUTE FREQUENCE ET APPLICATIONS

Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des démodulateurs photoniques (PMD) et, plus particulièrement, un dispositif intégré permettant de transférer des charges photogénérées alternativement dans deux directions à très haute fréquence, susceptible d'être utilisé dans des dispositifs de démodulation photonique. Exposé de l'art antérieur De nombreuses techniques permettant de réaliser des acquisitions d'images tridimensionnelles (3D) sont connues. Notamment, on connaît la technique de stéréovision qui consiste à faire deux acquisitions simultanées d'une même scène en deux points distincts. Le traitement de ces deux acquisitions permet d'obtenir une information de distance des objets de la scène.

On connaît également les techniques dites "temps de vol" (de l'anglais Time Of Flight, T0F), ou encore "à mesure indirecte", qui proposent de corréler le temps d'aller-retour d'une onde vers un objet prédéterminé à la distance entre le dispositif d'acquisition et cet objet.

Pour mettre en oeuvre cette technique, diverses structures d'émetteur-récepteur ont été proposées. Les B10962 - 11-GR2-0161

2 récepteurs utilisés comprennent généralement une matrice de pixels, chaque pixel détectant une information de distance d'objets en mettant en oeuvre la technique "temps de vol". La figure 1 présente des chronogrammes illustrant un principe de détection susceptible d'être utilisé dans des capteurs d'images tridimensionnelles mettant en oeuvre la technique à mesure indirecte (T0F). Sur une première courbe est représenté un signal E d'émission d'une onde, et sur une deuxième courbe est représenté le signal R reçu par le dispositif de détection du signal E. En fonction de la distance entre émetteur-récepteur et l'objet détecté, et donc en fonction du temps d'aller-retour de l'onde de l'émetteur vers l'objet puis vers le récepteur, les signaux E et R sont plus ou moins déphasés. Pour déterminer la distance à l'objet, deux fenêtres d'acquisition W1 et W2 sont prévues (illustrées par deux autres courbes W1 et W2 en figure 1). La première fenêtre d'acquisition W1 est ouverte (état haut) lorsque le signal d'émission E est à l'état haut. La seconde fenêtre d'acquisition, W2, est de même largeur que la fenêtre W1 et est déphasée de W1 d'une durée égale à la largeur de W1, c'est-à-dire que la fenêtre W2 est ouverte dès que le signal d'émission E est à l'état bas. On notera que, en pratique, le front montant du signal E peut ne pas intervenir en même temps que le front descendant de la fenêtre W2. Il peut par exemple être prévu un rapport cyclique entre les fenêtres W1 et W2 différent de 0,5 pour réduire les problèmes liés à la dissipation thermique des émetteurs lumineux (à LED ou laser). Si on appelle N1 et N2 le nombre d'électrons photogénérés et collectés respectivement dans les fenêtres W1 et W2 à la suite d'un grand nombre de cycles d'acquisition, la distance entre l'objet détecté et le système émetteur-récepteur peut être par exemple déterminée en calculant le rapport entre N2 et la somme de N1 et N2.

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3 Pour obtenir une démodulation photonique de bonne qualité, un transfert rapide des informations du dispositif de réception vers un circuit électronique de traitement d'information doit être réalisé. Des fréquences de transfert de charges photogénérées de l'ordre du gigahertz doivent être assurées pour obtenir un système d'acquisition d'image rapide (par exemple en temps réel, pour de la vidéo 3D). De plus, la sensibilité du dispositif de réception doit être particulièrement élevée. Actuellement, les capteurs d'image connus ne permettent pas un fonctionnement à des fréquences élevées permettant une bonne sensibilité de détection. Ceci provient essentiellement de la difficulté de transférer des charges photogénérées à grande vitesse avec une bonne efficacité de transfert.

Ceci s'explique également par le fait que les longueurs d'ondes généralement utilisées pour réaliser des mesures de temps de vol, TOF, font partie de la gamme du proche infrarouge, entre 750 et 950 nm. De telles ondes ont l'inconvénient de générer, dans les substrats de silicium utilisés dans les capteurs d'image, des paires électrons-trous à des profondeurs importantes. Le transfert de telles charges photogénérées en profondeur dans le substrat est peu efficace, et encore plus lorsque l'on travaille avec des structures planaires (structures communément utilisées à l'heure actuelle en technologie CCD ou CMOS par exemple). Ainsi, un besoin existe d'un dispositif permettant d'obtenir une sensibilité de détection très importante compatible avec les fréquences élevées nécessaires à une démodulation photonique de qualité.

Un besoin existe en outre d'un dispositif de transfert de charges bidirectionnel alterné présentant une bonne efficacité à des fréquences élevées. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente 35 invention est de prévoir un dispositif de transfert de charges B10962 - 11-GR2-0161

4 photogénérées alternativement dans deux directions, susceptible de fonctionner à des fréquences élevées nécessaires à une démodulation photonique de qualité. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir divers dispositifs de traitement de l'information fournie par le dispositif de transfert de charges ci-dessus. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de transfert de charges photogénérées dans une portion d'une couche semiconductrice délimitée par au moins deux tranchées parallèles, chaque tranchée comprenant, dans sa longueur, au moins une première et une deuxième régions conductrices isolées entre elles et de la couche semi-conductrice, comprenant la répétition d'une première étape de polarisation des premières régions conductrices à une première tension de façon à former une accumulation volumique de trous dans la partie de la portion située entre les premières régions, tandis que les deuxièmes régions conductrices sont polarisées à une deuxième tension supérieure à la première tension, et d'une deuxième étape de polarisation des premières régions à la deuxième tension et des deuxièmes régions à la première tension. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque tranchée comprend plus de deux régions conductrices isolées, au moins une région conductrice centrale étant polarisée, lors de la répétition des étapes alternées de polarisation, à une troisième tension constante comprise entre la première et la deuxième tension. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une première, respectivement une deuxième, grille de transfert située à l'extrémité de la portion du côté des deuxièmes, respectivement premières, régions conductrices est rendue passante pendant la première, respectivement la deuxième, étape de polarisation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 la répétition des étapes de polarisation transfère les charges B10962 - 11-GR2-0161

photogénérées alternativement vers un premier et un deuxième puits de potentiel de stockage situés aux extrémités de la portion. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 plus de deux tranchées parallèles sont prévues, les premier et deuxième puits de potentiel de stockage étant étendus en regard des extrémités des différentes zones formant la portion de la couche semiconductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et deuxième puits de potentiel de stockage sont constitués de multiples puits de stockage individuels en regard des extrémités des différentes zones. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend en outre une étape finale, après la répétition des étapes alternées de polarisation, de transfert des charges stockées dans les premiers et deuxièmes puits de potentiel de stockage vers un dispositif de lecture de ces charges. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le transfert des charges photogénérées des puits de potentiel de stockage vers un dispositif de lecture de ces charges est réalisé à l'aide de grilles de transfert formées en surface de la couche semiconductrice. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un dispositif de transfert de charges photogénérées alternativement dans deux directions, comprenant une couche semiconductrice dans laquelle sont formées au moins une première et une deuxième tranchées parallèles, chaque tranchée comprenant au moins deux régions de matériau conducteur, séparées entre elles et du substrat par un matériau isolant, comprenant en outre des moyens de polarisation des régions adaptés à créer dans l'espace entre tranchées, en regard de certaines régions, des accumulations volumiques de trous. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre un démodulateur photonique comprenant un B10962 - 11-GR2-0161

6 dispositif de transfert de charges photogénérées tel que décrit ci-dessus, mettant en oeuvre le procédé ci-dessus. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, présente des chronogrammes illustrant un principe de détection susceptible d'être utilisé pour obtenir des images tridimensionnelles ; la figure 2 illustre une structure de tranchées profondes polarisables à la base d'un système de transfert de charges selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 illustre, en vue de dessus, une structure de transfert de charge selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 4 illustre, en vue de dessus, une variante de réalisation de la structure de la figure 3 ; les figures 5A à 5B illustrent, respectivement, une vue de dessus d'un dispositif de transfert et de stockage de charges selon un mode de réalisation de la présente invention et une courbe de polarisation, selon un axe A-A en figure 5A, des différentes portions de la structure de la figure 5A ; la figure 6 illustre, en vue de dessus, une variante de réalisation de la structure de la figure 5A ; la figure 7 illustre, en vue de dessus, une autre variante de réalisation de la structure de la figure 5A ; et la figure 8 illustre une variante de la structure de la figure 7 ne comprenant pas de puits de stockage de charges intermédiaire. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation de cellules élémentaires de capteurs d'image, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.

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7 Description détaillée La figure 2 illustre une structure intégrée utilisée dans un dispositif de transfert de charges rapide selon un mode de réalisation.

En surface d'un substrat semiconducteur 10 dopé de type P est formée une couche semiconductrice 12 dopée de type N. Dans la couche semiconductrice 12 sont formées des tranchées traversantes 14, dont le fond atteint la surface du substrat semiconducteur 10. A titre de variante, les tranchées 14 peuvent pénétrer légèrement dans le substrat semiconducteur 10. Les tranchées 14 ont leurs parois recouvertes d'une couche de matériau isolant 16. Le coeur des tranchées 14, dans l'enceinte formée par le matériau isolant 16, est rempli d'un matériau conducteur 18. A titre d'exemple, le matériau 18 peut être du silicium polycristallin fortement dopé. Des tranchées telles que les tranchées 14 représentées en figure 2 sont connues dans l'état de la technique sous l'acronyme CDTI (de l'anglais Capacitive Deep Trench Isolation, tranchées profondes à isolement capacitif). Des moyens de polarisation adaptés à appliquer une tension VCDTI sur les régions conductrices 18 sont prévus en surface de ces régions. Les moyens de polarisation peuvent, par exemple, comprendre un plot métallique formé en surface des régions conductrices 18, sur lequel un contact électrique est pris.

Si une tension de polarisation négative, par exemple de l'ordre de -3 V, est appliquée par les moyens de polarisation sur le matériau conducteur 18, une accumulation de trous (h+) se crée dans la couche semiconductrice 12 le long des parois isolantes 16. De plus, du fait des niveaux de dopage de la couche semiconductrice 12 et du substrat 10, une accumulation de trous se forme également à l'interface entre ces deux régions. Selon une variante de réalisation, une couche mince 20 faiblement dopée de type P peut également être formée en surface de la couche semiconductrice 12. Cette couche 20 provoque également la formation d'une accumulation de trous h+ à l'interface entre la couche 20 et le substrat semiconducteur 12.

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8 L'accumulation de trous h+ sur le contour de la zone définie par les tranchées 14 permet avantageusement d'éviter la génération de courants d'obscurité aux interfaces entre le matériau isolant et le matériau semiconducteur.

En fonction de la tension de polarisation appliquée sur le matériau conducteur 18, ainsi qu'en fonction du niveau de dopage de la couche 12, des régions d'accumulation de trous plus ou moins épaisses se forment sur le contour de la portion de la couche semiconductrice 12 située entre deux tranchées 14. En jouant sur la distance entre deux tranchées 14 en regard, sur le niveau de dopage de la couche 12, et sur la tension de polarisation des tranchées 14, on peut donc obtenir des portions de la couche semiconductrice 12 dans lesquelles une accumulation de trous volumique remplit l'espace entre tranchées. L'homme de l'art déterminera aisément la distance entre tranchées, les niveaux de dopage et les tensions de polarisation permettant d'obtenir une telle accumulation volumique de trous dans des portions de la couche semiconductrice 12. La distance entre tranchées pourra par exemple être comprise entre 1 et 3 pm.

Lorsque la portion de la couche semiconductrice 12 située entre les tranchées 14 contient une accumulation de trous, si un faisceau lumineux 22 atteint la surface de la couche semiconductrice 12 et y provoque la formation d'une paire d'électrons-trous, l'électron e- de cette paire se voit transféré vers une zone à plus faible accumulation de trous. C'est ce principe qui est à la base des dispositifs de transfert de charges haute fréquence, adaptés à la détection d'images tridimensionnelles, proposés ici. De façon générale, pour réaliser un dispositif de réception d'ondes d'un démodulateur photonique, on prévoit de former un capteur d'image comprenant une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une zone fonctionnant à haute fréquence. Dans cette zone, des charges photogénérées sont alternativement envoyées dans deux directions, en fonction de la fenêtre d'acquisition que l'on considère.

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9 Selon une première variante de réalisation (figures 5A, 6 et 7), les charges photogénérées transférées sont stockées dans des puits de potentiel de stockage intermédiaires. Les cycles de transfert de charges à haute fréquence sont répétés un certain nombre de fois, et les charges stockées dans les différentes puits de potentiel sont lues et exploitées périodiquement par un transfert de ces charges vers un noeud de lecture. Selon une deuxième variante de réalisation (figure 8), les charges sont transférées en continu, lors des différentes fenêtres de lecture successives et dans des directions différentes, vers une circuiterie adaptée à tirer des informations à partir de ces charges photogénérées transférées. La figure 3 illustre la cellule de base d'un dispositif de transfert de charges photogénérées à haute fréquence alternativement dans deux directions selon un mode de réalisation. Ce dispositif tire profit des propriétés présentées ci-dessus des tranchées isolées profondes polarisables telles que celles de la figure 2.

En figure 3, on a représenté en vue de dessus un empilement d'un substrat semiconducteur et d'une couche semiconductrice 30, seule la couche semiconductrice supérieure 30 étant visible. Dans la couche 30 sont formées deux tranchées parallèles 32A et 32B. Ces tranchées 32A et 32B délimitent, dans la couche semiconductrice 30, un canal Ch (dont le contour est illustré par des pointillés en figure 3). La zone de canal forme la zone de photodétection du pixel considéré. Pour que d'autres zones du pixel, par exemple les puits de stockage, ne soient pas impactées par des faisceaux lumineux incidents, on pourra prévoir de protéger ces zones des rayons incidents, par exemple en formant un masque opaque en surface de ces zones. Les tranchées 32A et 32B sont symétriques l'une de l'autre. La tranchée 32A, respectivement 32B, est isolée du substrat 30 par une couche de matériau isolant 34A, respectivement 34B, qui recouvre le fond et les parois de la tranchée.

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10 La tranchée 32A est constituée, dans sa longueur, de deux régions conductrices 36A et 38A séparées verticalement par une région de matériau isolant 40A. De façon symétrique, la tranchée 32B est constituée, dans sa longueur, de deux régions de matériau conducteur 36B et 38B séparées verticalement par une région de matériau isolant 40B. Les régions 36A, 38A, 36B et 38B s'étendent sur toute la profondeur des tranchées 32A et 32B. Les régions conductrices 36A, 38A, 36B et 38B sont donc isolées les unes des autres et du substrat 30 par les régions isolantes 34A, 34B, 40A et 40B. Des moyens de polarisation des régions conductrices 36A, 38A, 36B et 38B sont prévus. Ces moyens de polarisation sont adaptés à polariser des régions 36A et 36B situées en regard à une tension appelée V1, et à polariser les régions 38A et 38B situées en regard à une tension appelée V2. Ils peuvent par exemple être constitués de plots de connexion métalliques formés en surface des régions conductrices, en surface desquels un contact électrique est formé. Le dispositif de la figure 3 fonctionne comme suit.

Lorsque la cellule de la figure 3 est éclairée, par un faisceau lumineux qui s'est réfléchi sur un objet dans le cas d'une acquisition 3D, les moyens de polarisation sont prévus de façon à fixer alternativement les tensions V1 et V2 à des niveaux hauts et bas lors d'un cycle de transfert de charges.

Dans une première phase de chaque cycle de transfert de charges, la tension V1 est fixée à un niveau bas, comme cela a été décrit en relation avec la figure 2, de façon à former une accumulation de trous dans la zone du canal Ch située entre les deux régions conductrices 36A et 36B des tranchées 32A et 32B.

Pendant ce temps, les moyens de polarisation sont prévus de façon que la tension V2 soit supérieure à la tension V1. Moins de trous s'accumulent donc en périphérie de la zone du canal Ch située en regard des régions 38A et 38B. Ainsi, il se crée un champ électrique dans le canal Ch propre à transférer des B10962 - 11-GR2-0161

11 électrons photogénérés dans le canal Ch vers la droite du canal Ch (du côté de la zone en regard des régions 38A et 38B). Dans une seconde phase de chaque cycle de transfert de charges, on inverse les tensions sur les bornes V1 et V2 et la tension V2 est prévue inférieure à la tension V1. La tension V2 est prévue pour provoquer une accumulation de trous dans la zone de canal Ch en regard des régions 38A et 38B. Le choix des tensions V1 et V2 assure ainsi le transfert des paires électrons-trous photogénérées vers la partie gauche du canal Ch (du côté de la zone en regard des régions 36A et 36B). En fixant alternativement les tensions V1 et V2 à des niveaux adaptés, en suivant le rythme des fenêtres de lecture prédéterminées, les électrons photogénérés sont transférés alternativement de part et d'autre du canal Ch. Avantageusement, du fait des temps d'accès en polarisation faibles sur les régions conductrices 36A, 36B, 38A et 38B, le fonctionnement alternatif du dispositif de la cellule de la figure 3 peut être réalisé à très haute fréquence, par exemple à des fréquences supérieures au gigahertz. En détectant la quantité d'électrons transférée de part et d'autre du canal Ch lors d'un cycle de polarisation des régions conductrices 36A, 38A, 36B et 38B, on peut obtenir l'information de la distance d'un objet détecté par la cellule de la figure 3. Plusieurs structures permettant l'analyse de cette quantité d'électrons seront présentées ci- après en relation avec les figures 5A, 5B, 6, 7 et 8. L'homme de l'art déterminera aisément des valeurs optimisées des tensions appliquées alternativement sur les régions conductrices pour obtenir une fréquence de démodulation élevée, tout en assurant un courant d'obscurité aussi faible que possible. La figure 4 illustre une variante de la structure de la figure 3, permettant un transfert des charges photogénérées en utilisant une quantité d'énergie d'alimentation plus faible que le dispositif de la figure 3.

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12 Le dispositif de la figure 4 diffère du dispositif de la figure 3 en ce que les tranchées 32A et 32B ne comprennent pas deux régions conductrices isolées dans leur longueur mais trois régions conductrices, 36A, 42A et 38A dans la tranchée 32A, et 36B, 42B et 38B dans la tranchée 32B. Les régions conductrices 36A, 42A, 38A, 36B, 42B et 38B s'étendent sur toute la profondeur des tranchées associées. Les régions conductrices 36A et 42A, respectivement 36B et 42B, sont séparées par un matériau isolant 44A, respectivement 44B, et les régions conductrices 42A et 38A, respectivement 42B et 38B, sont séparées par un matériau isolant 46A, respectivement 46B. Des moyens de polarisation sont prévus pour polariser à une première tension V1 les régions conductrices 36A et 36B en regard, à une tension de polarisation V2 les régions conductrices 38A et 38B et à une tension de polarisation V3 les régions conductrices 42A et 42B. Le dispositif de la figure 4 fonctionne de façon similaire au dispositif de la figure 3. On prévoit d'appliquer alternativement les tensions VI et V2 à des niveaux hauts et à des niveaux bas de façon que, alternativement, les zones de canal dans la couche semiconductrice 30 situées en regard de ces régions soient remplies d'une accumulation de trous ou seulement entourées de trous, de façon à former un champ électrique qui pousse les électrons photogénérés vers deux directions opposées, alternativement, du canal Ch. La différence avec le fonctionnement de la figure 3 réside dans le fait que la tension V3 est comprise entre les deux tensions alternativement appliquées sur les bornes V1 et V2. En fonctionnement, la tension V3 ne varie pas, ce qui forme une zone centrale du canal Ch dont le comportement est figé lors de l'application alternative de tensions haute et basse sur les régions conductrices commandées par les tensions V1 et V2. L'utilisation de régions centrales 42A et 42B dont le potentiel ne varie pas permet avantageusement de réduire la capacité B10962 - 11-GR2-0161

13 commutée à haute fréquence et donc de réduire la consommation du dispositif. Avantageusement, l'utilisation de tranchées profondes polarisables de type CDTI pour les tranchées 32A et 32B des figures 3 et 4 permet un transfert des charges photogénérées efficace. En effet, aux longueurs d'onde considérées, par exemple comprises entre 750 et 950 pm, des électrons photogénérés peuvent être formés profondément dans la couche semiconductrice 30. La formation de tranchées profondes, et le transfert des électrons sur toute la profondeur de ces tranchées, assure un temps de parcours des électrons vers des zones de détection de ces électrons très faibles, inférieures aux cas où le transfert des charges est réalisé uniquement en surface du substrat 30. En effet, dans la structure des figures 3 et 4, les électrons sont transférés horizontalement et aucune perte de temps liée à un transfert vertical des électrons n'est impliquée. On optimise donc le temps de transfert des électrons de part et d'autre du canal Ch. De plus, avantageusement, la formation d'une tranchée profonde isolée du substrat et polarisée permet de diminuer les courants d'obscurité générés sur le contour des tranchées. On notera que, du fait des fréquences considérées, seules de petites quantités d'électrons photogénérés sont transférées à chaque cycle de part et d'autre du canal Ch. A ces fréquences, seules quelques dizaines d'électrons sont transférés à chaque cycle. Ainsi, il est essentiel que les effets parasites des systèmes intégrés proposés ici soient réduits au maximum pour obtenir une détection intéressante. La structure proposée en figures 3 et 4 permet une telle efficacité. On notera que les structures des figures 3 ou 4 pourront être utilisées alternativement dans les différentes variantes décrites ci-après. Les figures 5A et 5B illustrent un dispositif complet 35 de détection, de transfert et de lecture de charges B10962 - 11-GR2-0161

14 photogénérées alternativement dans deux directions selon un mode de réalisation. Plus particulièrement, la figure 5A est une vue de dessus d'un tel dispositif et la figure 5B est une courbe des niveaux de polarisation selon une ligne A-A en figure 5A.

Dans l'exemple de la figure 5A, plusieurs canaux Chl à Ch4 tels que le canal Ch des figures 3 et 4 sont formés parallèlement. Les canaux sont séparés par des tranchées isolées telles que les tranchées 32A et 32B de la figure 3. Ces tranchées de séparation sont appelées 32A, 32B, 32C, 32D et 32E en figure 5A et dans les figures suivantes. Chaque tranchée comprend plusieurs régions conductrices polarisables (hachurées) de la façon décrite en relation avec les figures 3 et 4. Pour ne pas alourdir la figure, ces régions ne sont pas référencées en figure 6A et dans les figures qui suivent.

De part et d'autre des canaux Chi à Ch4 sont formés, dans la couche semiconductrice 30, un puits de potentiel de stockage SW1 (à gauche dans la figure) et un puits de stockage SWr (à droite dans la figure). Les puits de stockage SW1 et SWr permettent la collecte des charges transférées par le dispositif de transfert de charges rapide et alterné constitué du canal Ch et des tranchées 32A à 32E. Les puits de stockage SW1 et SWr sont délimités par des tranchées isolantes 341 dans la partie gauche de la structure et 34r dans la partie droite de la structure. Les tranchées isolantes 341 et 34r sont de préférence des tranchées profondes isolées du même type que les tranchées 32A à 32E, polarisées à une tension propre à former une légère accumulation de trous sur les parois des tranchées. Pour former les puits de stockage de charges SW1 et SWr, on pourra par exemple prévoir que les puits de stockage SW1 et SWr soient constitués d'une région de la couche 30 fortement dopée de type N. Les régions conductrices constituant les tranchées 32A à 32E sont polarisées alternativement de la façon décrite en relation avec la figure 3. Des grilles de transfert de charges, TG1 et TGr, sont 35 prévues respectivement dans des interruptions des tranchées 341 B10962 -- 11-GR2-0161

15 et 34r permettent le transfert de l'ensemble des charges stockées dans les noeuds de stockage SW1 et SWr. Un noeud de lecture SN1, respectivement SNr, est formé à l'opposé de la zone SW1, respectivement SWr, par rapport à la grille de transfert TG1, respectivement TGr. Les noeuds de lecture SNI et SNr sont constitués de zones de dopages adaptés à présenter un potentiel élevé et à capter les électrons transférés. Comme cela est représenté en figure 5B, les grilles de transfert TG1 et TGr forment, lorsqu'elles sont bloquées, des barrières de potentiel de part et d'autre des puits de stockage de charges SW1 et SWr. Corne cela est représenté en pointillés en figure 5B, l'action sur les régions conductrices des tranchées 32A à 32E, alternativement polarisées, permet de créer des pentes de potentiel alternatives 50 et 52 qui dirigent les électrons photogénérés alternativement dans les noeuds de stockage SW1 et SWr. A chaque cycle de polarisation des régions conductrices des tranchées 32A à 32E, une première quantité d'électrons est transférée et stockée dans le puits de stockage SW1 lors de la première phase de chaque cycle, et une deuxième quantité d'électron est transférée et stockée dans le noeud de stockage SWr lors de la deuxième phase de chaque cycle. Des cycles de polarisation selon les courbes 50 et 52 sont répétés un grand nombre de fois, par exemple quelques dizaines de milliers de fois, avant que toutes les charges stockées dans les puits de stockage SW1 et SWr soient transférées vers les noeuds de lecture SNI et SNr par les grilles de transfert TG1 et TGr. La lecture faite ensuite sur les noeuds de lecture SNI et SNr permet d'obtenir l'information de distance à des objets.

Le dispositif de la figure 5A comprend donc une partie centrale haute fréquence et une partie de transfert des charges photogénérées et stockées (constituée des puits de stockage SW1 et SWr, des grilles de transfert TG1 et TGr et des noeuds de lecture SN1 et SNr) fonctionnant de manière identique à un pixel à quatre transistors (4T) standard (à des fréquences B10962 - 11-GR2-0161

16 d'acquisition classiques, par exemple de l'ordre de 30 images par seconde). On tire donc avantageusement profit de la rapidité du transfert réalisé à l'aide de la polarisation alternée des régions conductrices des tranchées 32A à 32E, tout en permettant la réalisation d'un transfert des électrons stockés dans les puits de stockage SW1 et SWr de durée raisonnable. La figure 6 illustre une variante de réalisation du dispositif de la figure 5A, dans lequel les tranchées 32A à 32E ne sont pas constituées de deux régions conductrices comme cela est le cas en figure 5A mais de trois régions conductrices adjacentes de la façon présentée en figure 4. Le fonctionnement de ce dispositif est identique à celui de la figure 5A, en relation avec les polarisations alternées présentées en relation avec la figure 4.

La figure 7 illustre une variante de réalisation du dispositif des figures 5A et 6 dans laquelle les canaux Chi et Ch4 ne voient pas leurs extrémités arriver dans un unique puits de potentiel de stockage commun (SW1 ou SWr), de part et d'autre des canaux, mais chaque canal Chl à Ch4 se prolonge en un puits de stockage, SW11 à SW41 dans la partie gauche des canaux Chi, Ch4 et SWlr à SW4r dans la partie droite des canaux Chl et Ch4. Dans ce mode de réalisation, les puits de stockage SW11 à SW41 et SWlr à SW4r sont isolés entre eux par des tranchées isolantes polarisables 601 et 60r. La tension de polarisation appliquée sur les tranchées isolantes 601 et 60r est adaptée, avec le niveau de dopage des puits SW11 à SW41 et SW1r à SW4r, à former des puits de stockage de part et d'autre des canaux Chl à Ch4. Pour transférer les charges accumulées lors des différents cycles dans les puits potentiels SW11 à SW41 et SW1r à SW4r, des grilles de transfert larges (appelée TG1' à gauche des canaux et TGr' à droite des canaux) formées de façon à pouvoir transférer les charges des différents puits de potentiel, c'est-à-dire en regard des zones SW11 à SW41 et SW1r à SW4r, sont formées de part et d'autre du dispositif. Des B10962 - 11-GR2-0161

17 noeuds de lecture SNI' et SNr' sont formés de part et d'autre, respectivement, des grilles de transfert TG1' et TGr'. A titre de variante, on pourra remplacer les grilles de transfert large TG1' et TGr' par plusieurs grilles de transfert formées au bout des puits de stockage. Le dispositif de la figure 7 fonctionne de la même façon que les dispositifs des figures 5 et 6 : des électrons photogénérés dans les différents canaux Chl et Ch4 sont transférés alternativement dans les puits de potentiel SW11 à SW41 et SW1r à SW4r. Lors d'une phase de lecture ultérieure, les grilles de transfert TG1' et TGr' sont rendues passantes de façon à transférer les charges stockées dans les différents puits de potentiel SW11 à SW41 et SW1r à SW4r vers les noeuds de lecture associés SN1' et SNr'.

Avantageusement, les structures des figures 5A, 6 et 7 permettent d'éviter la formation de bruits de remise à zéro (connus sous l'appellation bruit "kTC") qui apparaissent dans les capteurs d'image classique. En effet, on forme ici une structure dans laquelle un puits de stockage intermédiaire reçoit directement les électrons photogénérés. Ces électrons sont seulement ensuite transférés par les grilles de transfert vers des noeuds de lecture. Un isolement est donc créé entre le circuit de lecture et le circuit de photogénération et de stockage de charges, ce qui limite fortement les bruits parasites. Les structures des figures 5A, 6 et 7 fonctionnent donc en tension, après une phase d'intégration de charges dans les puits de stockage intermédiaires. La figure 8 illustre une cellule élémentaire d'un capteur d'image utilisant la même structure de transfert alterné rapide que les dispositifs des figures 3 à 7, mais ne comportant pas de puits de stockage de charges intermédiaires. Dans le mode de réalisation de la figure 8, des canaux Chl et Ch4 sont délimités, dans leur longueur, par un ensemble de tranchées isolées 32A' à 32E' du même type que celles décrites en relation avec les figures 3 et 4. Les tranchées B10962 - 11-GR2-0161

18 isolées 32A' à 32E' peuvent comprendre, dans leur longueur, plusieurs régions conductrices isolées les unes des autres et du substrat 30. Dans l'exemple de la figure 8, cinq régions conductrices isolées entre elles sont représentées, et assurent le transfert des électrons photogénérés au niveau des canaux Chl et Ch4 alternativement de part et d'autre de ces canaux. Au bout des canaux Chl à Ch4, des grilles de transfert, Gl à gauche de la structure et Gr à droite de la structure, sont rendues passantes alternativement et à haute fréquence, simultanément avec l'acheminement des électrons photogénérés de part et d'autre des canaux Chl et Ch4. Ainsi, à chaque cycle, des électrons photogénérés dans les canaux Chl à Ch4 sont acheminés, dans une première phase vers la gauche des canaux par l'intermédiaire de la grille de transfert Gl et, dans une seconde phase de chaque cycle, les charges photogénérées sont acheminées par la structure vers la droite des canaux par la grille de transfert Gr. Dans cet exemple de réalisation, les flux d'électrons alternés sont traités en direct. On n'a pas représenté ici le circuit électronique permettant le traitement de l'information générée par les flux d'électrons alternés à haute fréquence de part et d'autre des grilles Gl et Gr (flux e-1 à gauche de la grille Gl et e-r à droite de la grille Gr). L'homme de l'art déterminera aisément la circuiterie adaptée à traiter les informations contenues dans ces flux d'électrons (la structure de la figure 8 fonctionne en courant, contrairement aux structures des figures 5A, 6 et 7 qui fonctionnent en tension). De plus, les grilles de transfert de charges Gl et Gr pourront être constituées d'un ensemble de grilles individuelles formées aux extrémités de chaque canal Chl à Ch4 et commandées simultanément plutôt que d'une unique grille commune. A titre d'exemple, l'information de distance à un objet détecté pourra être obtenue en comparant la quantité de courant générée par les électrons dans les deux phases de transfert de chaque cycle.

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19 A titre d'exemple d'application numérique, on pourra prévoir, pour un bon fonctionnement des dispositifs décrits ici, un écartement entre tranchées compris entre 1 et 3 pm, les tranchées et la couche semiconductrice supérieure 30, présentant une profondeur comprise entre 3 et 5 pm. En choisissant les niveaux de dopage de la couche semiconductrice 30 de façon adaptée, l'homme de l'art obtiendra aisément le fonctionnement ci-dessus. 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 notera que les tranchées isolées comprenant plusieurs régions conductrices présentées dans les différents modes de réalisation de cette description pourront comprendre plus ou moins de régions conductrices. On notera que, en suivant l'exemple de la figure 3, certaines de ces portions conductrices pourront être polarisées à une tension fixe tandis que d'autres seront polarisées à des tensions variant alternativement. Plusieurs niveaux de polarisation intermédiaires (fixes ou non) pourront également être appliqués sur les différentes régions conductrices. De plus, on a présenté ici des dispositifs dans lesquels les canaux de transfert de charges sont adaptés à transférer alternativement, dans deux directions opposées, des électrons photogénérés. On notera que l'on pourra également prévoir des formes de canaux différentes, pas nécessairement droites, les électrons étant alors transférés dans des directions non opposées l'une à l'autre. Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. Notamment, on a parlé ici du transfert d'électrons photogénérés dans une couche semiconductrice supérieure dopée de 35 type N, par la formation de zones d'accumulation de trous dans B10962 - 11-GR2-0161

20 les canaux Chi à Cho. On notera que l'on pourra également prévoir un fonctionnement similaire en utilisant une couche semiconductrice supérieure dopée de type P, les tensions de polarisation étant alors adaptées à former, dans les canaux définis dans cette couche, une accumulation volumique d'électrons. Cette accumulation est prévue de façon que des trous photogénérés soient transférés alternativement de part et d'autre des canaux, pour être traités par des dispositifs de lecture appropriés.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de transfert de charges photogénérées dans une portion (Chi, Ch2, Ch3, Cho) d'une couche semiconductrice (30) délimitée par au moins deux tranchées parallèles (32A, 32B, 32C, 32D, 32E), chaque tranchée comprenant, dans sa longueur, au moins une première et une deuxième régions conductrices (36A, 36B, 38A, 38B, 42A, 42B) isolées entre elles et de la couche semiconductrice (30), comprenant la répétition d'une première étape de polarisation des premières régions conductrices à une première tension de façon à former une accumulation volumique de trous dans la partie de ladite portion située entre les premières régions, tandis que les deuxièmes régions conductrices sont polarisées à une deuxième tension supérieure à la première tension, et d'une deuxième étape de polarisation des premières régions à la deuxième tension et des deuxièmes régions à la première tension.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque tranchée (32A, 32B, 32C, 32D, 32E) comprend plus de deux régions conductrices isolées (36A, 36B, 38A, 38B, 42A, 42B), au moins une région conductrice centrale (42A, 42B) étant polarisée, lors de la répétition des étapes alternées de polarisation, à une troisième tension (V3) constante comprise entre la première et la deuxième tension.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une première, respectivement une deuxième, grille de transfert (Gr, Gl) située à l'extrémité de ladite portion du côté des deuxièmes, respectivement premières, régions conductrices est rendue passante pendant la première, respectivement la deuxième, étape de polarisation.
4. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la répétition des étapes de polarisation transfère les charges photogénérées alternativement vers un premier et un deuxième puits de potentiel de stockage (SWl, SWr) situés aux extrémités de ladite portion.B10962 - 11-GR2-0161 22
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel plus de deux tranchées parallèles sont prévues, les premier et deuxième puits de potentiel de stockage (SW1, SWr) étant étendus en regard des extrémités des différentes zones formant ladite portion (Chi, Ch2, Ch3, Ch4) de la couche semiconductrice (30).
6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les premier et deuxième puits de potentiel de stockage (SW1, SWr) sont constitués de multiples puits de stockage individuels en regard des extrémités des différentes zones (SW11, SW21, SW31, SW41, SW1r, SW2r, SW3r, SW4r).
7. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre une étape finale, après la répétition des étapes alternées de polarisation, de transfert des charges stockées dans les premiers et deuxièmes puits de potentiel de stockage (SW1, SWr) vers un dispositif de lecture de ces charges (SN1, SNr).
8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le transfert des charges photogénérées des puits de potentiel de stockage (SW1, SWr) vers un dispositif de lecture de ces charges (SN1, SNr) est réalisé à l'aide de grilles de transfert (TG1, TGr, TG1', TGr') formées en surface de la couche semiconductrice (30).
9. 9. Dispositif de transfert de charges photogénérées alternativement dans deux directions, comprenant une couche semiconductrice (30) dans laquelle sont formées au moins une première et une deuxième tranchées parallèles (32A, 32B, 32C, 32D, 32E), chaque tranchée comprenant au moins deux régions de matériau conducteur (36A, 36B, 38A, 38B), séparées entre elles et du substrat (30) par un matériau isolant (34A, 34B, 40A, 40B, 44A, 44B, 46A, 46B), comprenant en outre des moyens de polarisation desdites régions adaptés à créer dans l'espace entre tranchées (Chi, Ch2, Ch3, Ch4, Ch5), en regard de certaines régions, des accumulations volumiques de trous.
10. 10. Démodulateur photonique comprenant un dispositif de transfert de charges photogénérées selon la revendication 9,B10962 -
11. 11-GR2-0161 23 mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.