FR3011980A1 - Capteur d'image a multiplication d'electrons et a lecture regroupee de pixels - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les capteurs d'image permettant d'acquérir des images électroniques à très bas niveau de lumière. Le capteur d'image des pixels pouvant être lus individuellement ou par regroupement des charges de quatre pixels adjacents pour plus de sensibilité. Deux photodiodes d'une même colonne (PH21, PH22) peuvent transférer leurs charges dans une même grille de multiplication (GM1), les deux pixels de la colonne adjacente transférant leurs charges dans une deuxième grille de multiplication (GM2). Une phase de multiplication peut être effectuée par une alternance de potentiels en opposition de phase appliquée aux grilles de multiplication. Des structures de lecture associées chacune à une des grilles de multiplication permettent de lire les charges de chacune des quatre photodiodes ou les charges réunies des quatre photodiodes.

Description

CAPTEUR D'IMAGE A MULTIPLICATION D'ELECTRONS ET A LECTURE REGROUPEE DE PIXELS L'invention concerne les capteurs d'image permettant d'acquérir des images électroniques à très bas niveau de lumière, notamment pour une vision de nuit dans laquelle le niveau d'énergie capté par les pixels est du même ordre que le bruit, en particulier le bruit dit de grenaille ("shot noise" en anglais). Pour capter une image dans des conditions de nuit étoilée avec un rapport signal/bruit de 10dB, le nombre de photons captés par un pixel doit être d'au moins 40 photons. Si on veut capturer une image à une cadence de 60 images par seconde, avec une optique d'ouverture F/1 et un rapport signal sur bruit de 10 dB, on a besoin de pixels de grande surface, de préférence autour de 100 micromètres carrés). Mais alors, il est difficile de ne pas saturer le capteur si la lumière augmente significativement, par exemple en présence de sources de lumière artificielle. On a donc déjà proposé d'utiliser des capteurs ayant des pixels plus petits mais ayant un mode de regroupement de pixels de sorte qu'à niveau de lumière important le capteur fournit un point d'image par pixel mais à bas niveau de lumière il fournit un point d'image par groupe de quatre pixels adjacents dont les informations sont sommées analogiquement et/ou numériquement.

On a également proposé d'utiliser dans les capteurs des systèmes de multiplication d'électrons qui augmentent le rapport entre le nombre d'électrons produits par un pixel et le nombre de photons qui ont été reçus par le pixel. Ces systèmes utilisent des déplacements d'électrons dans le semiconducteur dans lequel ils ont été engendrés, avec des tensions d'accélérations telles que des électrons secondaires sont arrachés au semiconducteur et accroissent le nombre initial d'électrons. Le gain de multiplication d'électrons est d'autant plus élevé que les tensions sont plus élevées et que le nombre de transferts (en général des aller-retours multiples entre deux zones semiconductrices) est plus élevé.30 L'invention a pour but de proposer une structure de capteur d'image qui autorise à la fois un fonctionnement avec ou sans multiplication d'électrons et un fonctionnement avec ou sans regroupement de pixels. Un but de l'invention est également de permettre qu'à bas niveau de lumière le capteur puisse fonctionner avec un principe de double échantillonnage corrélé réduisant le bruit de type kTC des pixels et ceci même dans un mode d'exposition globale (par opposition à un mode d'exposition à obturation électronique défilante, en anglais "electronic rolling shutter" ou ERS).

Pour atteindre ces buts, l'invention propose un capteur d'image matriciel comportant au moins deux lignes de pixels et comportant des moyens pour lire les pixels soit individuellement soit en regroupant les charges issues d'un groupe de quatre pixels adjacents appartenant à deux lignes adjacentes et deux colonnes adjacentes, caractérisé en ce qu'il comporte, pour le groupe de quatre pixels : - pour chaque pixel, une photodiode et une grille de transfert primaire permettant de transférer à l'extérieur de la photodiode les charges engendrées par la lumière dans la photodiode ; - deux grilles de multiplication d'électrons, la première grille de multiplication étant adjacente aux grilles de transfert des deux pixels d'une première colonne et la deuxième grille étant adjacente aux grilles de transfert primaire des deux autres pixels du groupe, appartenant à la deuxième colonne ; - des premiers moyens de lecture de charges, comprenant une 25 première région de stockage de charges et une première grille de transfert secondaire interposée entre la première grille de multiplication d'électrons et la première région de stockage de charges ; - des deuxièmes moyens de lecture de charges, comprenant une deuxième région de stockage de charges et une deuxième grille de transfert 30 secondaire interposée entre la deuxième grille de multiplication d'électrons et la deuxième région de stockage de charges ; - et des moyens de commande des potentiels appliqués aux grilles de transfert et aux grilles de multiplication, pour exécuter un mode de lecture simple et un mode de lecture regroupée, dans lesquels, - en mode de lecture simple on transfère les charges des photodiodes des deux pixels de la première ligne respectivement vers la première grille de multiplication et vers la deuxième grille de multiplication, on transfère ces charges des grilles de multiplication respectivement vers les première et deuxième région de stockage de charges et on lit par les premiers et deuxièmes moyens de lecture les charges présentes dans ces deux régions, puis on répète ces opérations pour les deux pixels de la deuxième ligne, - en mode de lecture regroupée, on transfère les charges des deux pixels de la première colonne dans la première grille de multiplication et les charges des deux pixels de la deuxième colonne dans la deuxième grille de multiplication et, ultérieurement, on transfère les charges présentes sous les grilles de multiplication vers l'une des régions de stockage, et on lit les charges présentes dans cette région.

Le capteur comprend de préférence des moyens pour appliquer aux deux grilles de multiplication une alternance de potentiels en opposition de phase non recouvrante. Ces moyens peuvent facultativement être utilisés dans le mode de lecture regroupée. Ils ne sont pas utilisés dans le mode de lecture simple. Les deux grilles de multiplication sont de préférence séparées par une région intermédiaire maintenue à un potentiel fixe pendant la multiplication d'électrons. De préférence, cette région intermédiaire est construite comme une photodiode à potentiel superficiel fixe (photodiode dite "pinned") : la région intermédiaire comprend une diffusion de type N recouverte par une région semiconductrice superficielle de type P maintenue à un potentiel fixe. Le potentiel fixe est de préférence celui d'une couche active de type P dans laquelle sont formées les photodiodes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un schéma électrique classique de pixel actif en technologie MOS ; - la figure 2 représente un schéma modifié incorporant une structure de multiplication d'électrons au sein du pixel ; - la figure 3 représente une vue de dessus schématique d'une structure de quatre pixels adjacents selon l'invention, les pixels pouvant être 5 lus en mode de lecture simple ou en mode de lecture regroupée ; - la figure 4 représente une variante de réalisation ; - la figure 5 représente une autre variante permettant un regroupement de différents groupes de quatre pixels autour d'un pixel choisi ; - la figure 6 représente une vue en coupe latérale de la structure 10 de la figure 3, selon la ligne A-A de la figure 3. Pour mieux faire comprendre l'invention, on rappelle en référence à la figure 1 le schéma électrique d'un pixel actif classique à cinq transistors d'un capteur d'image en technologie MOS et, en référence à la figure 2 le 15 schéma d'un pixel actif semblable mais comportant en outre des moyens de multiplication d'électrons à l'intérieur du pixel. Le pixel de la figure 1 comporte une photodiode PH, un noeud de stockage de charges capacitif ND (représenté par un simple point sur la figure 1, et réalisé en pratique par une diffusion de type N dans une couche 20 de type P), un transistor de transfert de charges T1 entre la cathode de la photodiode et le noeud de stockage, un transistor T2 de réinitialisation du potentiel du noeud de stockage, un transistor T3 de réinitialisation du potentiel de la photodiode, un transistor de lecture T4 monté en suiveur de tension, un transistor de sélection de ligne T5. 25 Le transistor de transfert T1 est commandé par un signal de transfert TR. Le transistor T2 a son drain relié à un potentiel de référence VREF et il est commandé par un signal de commande de réinitialisation RST permettant la réinitialisation du potentiel du noeud de stockage. Le transistor T3 est relié entre la cathode de la photodiode et un potentiel de référence qui 30 peut être un potentiel d'alimentation Vdd. Il est commandé par un signal de réinitialisation GR permettant la réinitialisation du potentiel de la photodiode. Le transistor suiveur T4 a son drain relié à un potentiel fixe qui peut être l'alimentation Vdd, sa source reliée au transistor de sélection de ligne T5, et sa grille reliée au noeud de stockage ND. Enfin, le transistor de sélection de 35 ligne T5 a sa grille reliée à un conducteur de sélection de ligne qui relie tous les transistors de sélection de ligne d'une même ligne de pixels ; ce conducteur est commandé par un signal de sélection de ligne SEL propre à cette ligne ; le drain du transistor T5 est relié à la source du transistor suiveur et sa source est reliée à un conducteur de colonne COL commun à tous les pixels d'une même colonne de pixels. Ce conducteur permet de transmettre une tension représentant la quantité de charges du noeud de stockage d'un pixel sélectionné par le conducteur de ligne SEL. Le conducteur de colonne est relié à un circuit de lecture non représenté propre à la colonne de pixels, au pied de cette colonne.

Le transistor de transfert T1 mentionné dans ce schéma est en pratique réalisé par une simple grille de transfert isolée séparant la photodiode du noeud de stockage, cette grille étant commandée par un signal de transfert TR permettant de laisser passer les électrons ou au contraire d'interdire le passage. On parlera ci-après indifféremment de transistor de transfert ou de grille de transfert pour ce type de structure. La figure 2 représente un schéma électrique de principe du pixel dans le cas où le pixel comporte des moyens de multiplication d'électrons à l'intérieur du pixel. Dans ce cas, on trouve entre la photodiode et le noeud de stockage de charges ND non pas un seul transistor (ou une seule grille) de transfert T1 mais deux transistors (ou grilles) de transfert T1 et T'l et une structure de multiplication d'électrons MS entre ces deux transistors ou grilles. La première grille de transfert, commandée par un signal de commande TR permet de faire passer les charges photogénérées depuis la photodiode vers la structure de multiplication. La deuxième grille de transfert, commandée par un signal de commande TR', permet de faire passer les charges électroniques de la structure de multiplication vers le noeud de stockage ND.

Pour réaliser une structure de capteur d'image qui autorise à la fois un fonctionnement avec ou sans multiplication d'électrons et un fonctionnement avec ou sans regroupement de pixels, on a trouvé qu'on pouvait envisager la solutions suivante : deux pixels adjacents d'une même colonne déversent les charges recueillies par leurs photodiodes respectives, à travers deux grilles de transfert primaires respectives, vers une même première grille de multiplication ; les charges recueillies par cette grille de multiplication peuvent être multipliées par une structure de multiplication qui comprend au moins cette grille de multiplication et une deuxième grille de multiplication ; la multiplication (ou l'absence de multiplication) se termine par un stockage intermédiaire sous la deuxième grille de multiplication ; les charges alors contenues sous la deuxième grille de multiplication sont lues par une structure de lecture (une grille de transfert secondaire pour transférer les charges de la deuxième grille de multiplication vers un noeud de stockage de charges, un transistor de réinitialisation de ce noeud, un transistor suiveur pour recopier le potentiel du noeud de stockage, et un transistor de sélection du pixel pour reporter le potentiel du transistor suiveur sur un conducteur de colonne). Cette structure de lecture est commune aux deux pixels de la colonne et située entre les deux pixels. On peut choisir de lire les pixels en mode simple, donc successivement, en ne commandant qu'une grille de transfert primaire, ou au contraire de lire en mode regroupé en commandant simultanément ou successivement le transfert des charges des deux photodiodes vers la première grille de multiplication. Mais pour regrouper les signaux de quatre pixels adjacents deux à deux en ligne et en colonne, il faut numériser les signaux issus de la lecture et effectuer ensuite une sommation numérique des résultats pour les pixels de deux colonnes voisines. On peut aussi, en partant d'une structure proche de la précédente, prévoir que les charges recueillies par la première photodiode sont transférées par une première grille de transfert primaire vers la première grille de multiplication alors que les charges recueillies par la deuxième photodiode sont transférées par une deuxième grille de transfert primaire vers la deuxième grille de multiplication. L'entrée des charges dans la structure de multiplication se fait donc par deux voies distinctes pour les deux pixels adjacents en colonne. La multiplication d'électrons se termine par un stockage intermédiaire sous la première grille de multiplication si on veut lire les charges du premier pixel, mais elle se termine par un stockage de charges sous la deuxième grille de multiplication si on veut lire les charges du deuxième pixel. Elle peut se terminer par un stockage de charges sous l'une ou l'autre des grilles de multiplication si on veut lire en mode regroupé. Dans le mode regroupé, les charges sont transférées successivement de l'un des pixels vers un côté de la structure de multiplication puis de l'autre pixel vers l'autre côté de la structure de multiplication. Dans cette réalisation, il y a deux structures de lecture distinctes, associées à chacune des grilles de multiplication pour lire respectivement les charges stockées sous la première grille de multiplication ou sous la deuxième grille de multiplication. Chaque structure de lecture comprend une grille de transfert secondaire, un noeud de stockage de charges, un transistor de réinitialisation, un transistor de lecture monté en suiveur de tension et un transistor de sélection de ligne. En mode de lecture simple de chaque pixel, comme en mode de lecture regroupée de deux pixels, une multiplication d'électrons peut être faite. En mode de lecture regroupée, les charges issues de pixels adjacents d'une même colonne sont regroupées avant d'être lues et numérisées, mais pour regrouper les charges des quatre pixels il faut compléter le regroupement par une sommation numérique du résultat avec le résultat de la lecture des signaux des deux pixels de la colonne voisine.

Dans le capteur selon l'invention, la structure de multiplication est commune à quatre pixels adjacents et peut recevoir des charges de ces quatre pixels.

La figure 3 représente en vue de dessus un schéma d'organisation d'un groupe de quatre pixels adjacents en ligne et en colonne, permettant selon l'invention de lire les pixels en mode de lecture simple de chaque pixel ou en mode de lecture regroupée des quatre pixels, pour une sensibilité améliorée, sans nécessiter d'opération de sommation numérique.

Les photodiodes, les grilles de transfert, les noeuds de stockage de charges, etc., sont représentés par de simples rectangles pour simplifier la figure, mais les formes géométriques peuvent être plus complexes pour remplir au mieux l'espace disponible sans augmenter le pas des pixels ni réduire l'ouverture optique des pixels. Les connexions électriques qui apparaissent dans le schéma de la figure 2 ne sont pas représentées. Une structure de multiplication commune aux quatre pixels adjacents est placée dans un espace libre situé entre les quatre pixels. Cette structure permet d'effectuer une multiplication d'électrons dans le cas où on fait une lecture en mode regroupé des électrons accumulés par les quatre pixels.

Chacun des quatre pixels comprend une photodiode respective, PH11, PH12 pour les deux pixels d'une première ligne, PH21, PH22 pour les pixels de la deuxième ligne. Les pixels PH11 et PH21 appartiennent à une première colonne ; les pixels PH12, PH22 appartiennent à la deuxième colonne. Une grille de transfert primaire G11 (jouant le rôle du transistor T1 de la figure 2) est adjacente d'un côté à la photodiode PH11 et de l'autre à une première grille de multiplication GM1 de la structure de multiplication associée au groupe de quatre pixels. La grille de transfert primaire G11 permet de transférer les charges de la première photodiode PH11 dans la structure de multiplication ; ces charges arrivent par la première grille de multiplication GM1. Une deuxième grille de transfert primaire G21 est adjacente d'un côté à la photodiode PH21 et de l'autre à la même première grille de 15 multiplication GM1. Elle permet le transfert de charges de la photodiode PH21 vers la première grille de multiplication. Symétriquement, pour les deux photodiodes de la deuxième colonne, deux autres grilles de transfert primaires G12 et G22 sont adjacentes d'un côté à ces deux photodiodes, respectivement PH21 et 20 PH22, et de l'autre côté à une deuxième grille de multiplication GM2 de la structure de multiplication. Elles permettent le transfert de charges de ces deux autres photodiodes vers la deuxième grille de multiplication. La structure de multiplication peut comprendre, dans sa version 25 préférée, les deux grilles GM1 et GM2 et des moyens de commutation de potentiels pour faire passer alternativement l'une des grilles à un potentiel haut pendant que l'autre grille est à un potentiel bas et réciproquement. Le coefficient de multiplication d'électrons engendré par cette structure dépend des potentiels appliqués et du nombre d'alternances appliquées. 30 De préférence, les grilles de multiplication sont séparées par une zone semiconductrice intermédiaire ZS maintenue à un potentiel constant intermédiaire entre les potentiels haut et bas appliqués aux grilles. Pendant une opération de multiplication, cette zone intermédiaire est traversée par les paquets d'électrons qui transitent alternativement de la première grille de 35 multiplication vers la deuxième et réciproquement.

Dans la structure de quatre pixels selon l'invention, on trouve encore deux structures de lecture de charges, associées respectivement l'une avec la première grille de multiplication GM1, l'autre avec la deuxième grille de multiplication GM2. Ces structures de lecture servent respectivement à lire les charges stockées sous la première grille de multiplication et les charges stockées sous la deuxième grille de multiplication. La première structure de lecture comporte un noeud de stockage de charges ND1, une grille de transfert secondaire G'1 adjacente à la fois à la première grille de multiplication et au noeud de stockage ND1. Cette grille de transfert secondaire permet de transférer vers le noeud de stockage la quantité d'électrons présente sous la première grille de multiplication et ayant subi ou n'ayant pas subi une étape de multiplication. La première structure de lecture comprend encore les éléments suivants : un transistor de réinitialisation du potentiel du noeud de stockage ND1, non représenté et constitué comme le transistor T2 d'un pixel actif classique ; un transistor de lecture constitué et connecté en suiveur de tension comme le transistor de lecture T4 d'un pixel actif classique ; un transistor de sélection de ligne constitué et connecté comme le transistor de sélection T5 d'un pixel actif classique. Tous ces éléments font partie de la première structure de lecture, qui est associée aux deux pixels de la première colonne, c'est-à-dire aux photodiodes PH11 et PH21. La deuxième structure de lecture est associée aux deux autres pixels appartenant à la deuxième colonne, donc aux photodiodes PH12 et PH22. Elle est identique à la première structure et fonctionne de la même manière. Elle comprend un noeud de stockage de charges ND2, une grille de transfert secondaire G'2 adjacente à la deuxième grille de multiplication GM2 et au noeud de stockage ND2. Elle comprend aussi, comme la première structure, les éléments suivants non représentés : transistor de réinitialisation du deuxième noeud de stockage, transistor suiveur de lecture, et transistor de sélection de ligne. Les transistors de sélection de ligne des deux structures sont commandés simultanément par un même conducteur de ligne. La structure peut fonctionner selon un mode de lecture simple ou 35 un mode de lecture regroupée.

Dans le mode de lecture simple, on fonctionne en mode dit ERS ("electronic rolling shutter"), c'est-à-dire que la durée d'intégration des charges est identique pour les différentes lignes mais décalée dans le temps d'une ligne à la suivante ; les photodiodes intègrent des charges depuis la fin du cycle d'intégration précédent, la durée d'intégration commençant à la fin d'un transfert de charges hors de la photodiode et se terminant pour chaque ligne à la fin d'un nouveau transfert de charges hors de la photodiode ; les instants de transfert sont décalés d'une ligne à la suivante ; a) pendant cette intégration, on réinitialise le potentiel des noeuds de stockage de la ligne sélectionnée, par exemple les noeuds ND1, ND2 de la première ligne (photodiodes PH11 et PH12) ; b) on lit le niveau de réinitialisation de ces noeuds ; c) à la fin de la durée d'intégration, on transfère les charges des pixels de la première ligne (photodiodes PH11 et PH12), à travers les grilles de transfert primaires G11 et G12, sous les grilles de multiplication GM1 et GM2 respectivement ; les grilles de multiplication GM1 et GM2 sont à cet effet portées à un potentiel suffisamment élevé par rapport au potentiel intrinsèque de la photodiode ; d) on transfère les charges stockées sous la grille de multiplication GM1 vers le noeud de stockage ND1, à travers la grille de transfert secondaire G'1, et, simultanément ou successivement, les charges stockées sous la grille de multiplication GM2 vers le noeud de stockage ND2, à travers la grille de transfert secondaire G'2 ; le potentiel intrinsèque de la zone ZS forme une barrière de potentiel pour empêcher le mélange des charges présentes sous les grilles GM1 et GM2 ; e) on lit le potentiel des noeuds de stockage ND1 et ND2, représentant le niveau de lumière reçu respectivement par les photodiodes PH11 et PH12 ; f) on répète les opérations a) à e) pour la ligne suivante comportant les photodiodes PH21 et PH22, en commandant les grilles de transfert primaires G21 et G22 à l'étape c) et en utilisant les mêmes grilles de multiplication, les mêmes grilles de transfert secondaire G'1 et G'2 et les mêmes noeuds de stockage ND1 et ND2 que précédemment ; Puis on effectue ces mêmes opérations pour les paires de lignes de rang suivant.

Alternativement, on pourrait effectuer une lecture par demi-trames en lisant d'abord toutes les lignes de photodiodes de rang impair puis toutes les lignes de rang pair. Dans ce mode de lecture simple, on a utilisé les grilles de 10 multiplication comme simples grilles de stockage intermédiaire entre les photodiodes et les noeuds de stockage. Dans un mode de lecture regroupée, on recueille dans la structure de multiplication les charges des quatre photodiodes PH11, PH12, PH21, 15 PH22, on les multiplie, on les stocke sous l'une des deux grilles de multiplication, et on lit par la structure de lecture associée à cette grille de multiplication, par exemple la structure de lecture comprenant G'1 et ND1 si c'est la première grille de multiplication GM1. Le procédé de lecture se détaille alors comme suit : les quatre 20 photodiodes intègrent des charges de préférence en mode d'exposition globale ("Global Shutter" en anglais) dans lequel l'instant de début d'intégration de charges et l'instant de fin d'intégration de charges est le même pour toutes les photodiodes. ; ce temps est éventuellement réglable s'il y a un transistor (tel que T3, fig.2) de réinitialisation du potentiel de 25 chaque photodiode, commandé simultanément pour toutes les photodiodes ; a) pendant cette intégration, on réinitialise le potentiel des noeuds de stockage ND1 et ND2 ; on fait en même temps la réinitialisation pour les autres groupes de quatre pixels ; b) à la fin de la durée d'intégration, on commande le 30 transfert de charges des photodiodes par les grilles de transfert primaires G11, G12, G21, G22 ; les charges des photodiodes de la première colonne (PH11 et PH21) sont transférées sous la grille de multiplication GM1 ; les charges des deux autres photodiode (PH12 et PH22) sont transférées en même temps ou immédiatement après 35 sous la grille de multiplication GM2 ; c) on effectue éventuellement une multiplication d'électrons par application d'une alternance de potentiels en opposition de phase sur les grilles de multiplication GM1 et GM2 ; on termine la multiplication ou l'absence de multiplication en stockant les charges multipliées sous l'une des deux grilles de multiplication, par exemple la grille GM1 ; d) pour un couple de lignes, à partir de la structure de lecture associée à ce couple, on lit le niveau de réinitialisation du noeud de stockage ND1 ou ND2 (celui dans lequel les charges seront transférées) ; puis on transfère les charges stockées sous la multiplication (ici G1) vers le noeud de stockage correspondant (ND1), et on lit le niveau du potentiel de ce noeud ; on recommence pour les autres couples de lignes. Dans ce mode, on lit donc la somme des charges de quatre photodiodes, charges qui sont mélangées et multipliées dans la structure de multiplication (GM1, ZS, GM2). Dans le mode de lecture regroupée on peut bénéficier à la fois d'un fonctionnement en "Global Shutter" et d'une lecture par double échantillonnage corrélé dans laquelle le noeud de stockage est réinitialisé et lu avant un transfert de charges vers ce noeud de stockage et une lecture de ce noeud. Dans le mode de lecture simple il est nécessaire d'utiliser un fonctionnement ERS (obturateur défilant).

Dans la réalisation de la figure 3, il y a une ligne de structures de multiplication et de structures de lecture pour deux lignes de photodiodes. Dans une variante de réalisation représentée à la figure 4, on peut prévoir autant de lignes de structures de multiplication qu'il y a de lignes de photodiodes, mais il y a, comme à la figure 3, une seule structure de multiplication commune à deux pixels appartenant à des lignes adjacentes. Il y a donc dans ce cas pour chaque photodiode deux grilles de transfert primaires permettant de transférer des charges vers l'une ou l'autre de deux structures de multiplication appartenant à deux lignes adjacentes. Cependant, cette réalisation consomme plus de place que celle de la figure 3. On notera que l'on peut faire fonctionner le capteur en mode d'exposition globale ("Global Shutter") en actionnant simultanément toutes les grilles de transfert qui ont la même disposition par rapport à la photodiode. On peut avec cette réalisation de la figure 4 faire une lecture simple sans multiplication, ou une lecture regroupée de quatre pixels avec ou sans multiplication. En variante des figures 3 et 4, on pourrait prévoir comme cela est représenté par exemple sur la figure 5 qu'il y a une structure de multiplication de chaque côté de la photodiode. Il y a donc alors, dans une ligne de structures de multiplications, autant de structures de multiplication qu'il y a de colonnes de photodiodes. Si on combine cette disposition avec celle de la figure 4, on aboutit à la disposition de la figure 5 dans laquelle il y a pour chaque photodiode quatre grilles de transfert primaires permettant de transférer des charges respectivement vers l'une de quatre structures de multiplication appartenant à deux lignes adjacentes et deux colonnes adjacentes. Cela permet, en mode de lecture regroupée, de choisir quels sont les pixels adjacents qui sont regroupés. Cette réalisation est également moins compacte que celle de la figure 3.

La figure 6 représente une coupe technologique du pixel, montrant une manière de réaliser pratiquement le capteur selon l'invention. La figure 6 est une coupe latérale selon la ligne A-A de la figure 3. Cette ligne A-A passe à travers la photodiode PH11, la grille de transfert primaire G11, la grille de multiplication GM1, la zone semiconductrice intermédiaire ZS à potentiel fixe, la grille de transfert secondaire G'2, le noeud de stockage ND2. On a représenté aussi sur la figure 6 des éléments qui n'apparaissent pas sur la figure 3, à savoir un transistor de réinitialisation du noeud de stockage ND2 qui est le transistor T2 de la figure 2 ; enfin on a rappelé la liaison électrique entre le noeud de stockage ND2 et deux transistors T4 et T5 (transistor suiveur et transistor de sélection de ligne relié à un conducteur de colonne COL) conformément au schéma de principe de la figure 2. Le transistor de réinitialisation de la photodiode PH11 (transistor T3 sur la figure 2) n'est pas représenté ; il comprend une grille de commande permettant de déverser dans un drain non représenté les charges de la photodiode au début d'une durée d'intégration.

Le pixel est formé dans un substrat 10 qui comprend de préférence une couche active semiconductrice 12 de type P peu dopée ou P-(le symbole P- est utilisé pour désigner ce faible dopage) formée à la surface d'une couche plus dopée (P+). Le pixel est isolé des pixels voisins par une barrière isolante 13 qui l'entoure complètement. Cette barrière peut être une tranchée isolante superficielle au-dessus d'un caisson de type P. Le pixel comprend la région de photodiode PH11 dont le périmètre suit le contour d'une région semiconductrice 14 de type N implantée dans une partie de la profondeur de la couche active 12. Cette région implantée est surmontée par une région superficielle 16 de type P+, qui est maintenue à un potentiel de référence zéro. Il s'agit d'une photodiode dite "pinned" (d'après le mot anglais signifiant "épinglé", qui rappelle que le potentiel de surface de la région superficielle P+ est fixé). Le potentiel de référence zéro est celui qui est appliqué à la couche active P-. Dans le cas le plus simple, c'est le potentiel du substrat de type P+ situé sous la couche active et appliquant son propre potentiel à la couche active ; le maintien de la région superficielle 16 à ce potentiel zéro est réalisé par exemple par le fait que la région 16 touche une diffusion profonde 15 de type P+ qui rejoint le substrat 10. Un contact électrique peut aussi être prévu sur cette diffusion 15 pour appliquer par ce contact un potentiel zéro à la région 16. Le noeud de stockage de charges ND2 est une diffusion de type N dans la couche active 12. Un contact est formé sur le noeud de stockage, pour permettre d'appliquer le potentiel de cette région sur la grille d'un transistor suiveur (T4), afin de transformer en niveau de tension électrique la quantité de charges contenue dans le noeud de stockage. La grille du transistor T2 permet de vider les charges du noeud de stockage vers un drain d'évacuation 20 qui est une région de type N+ reliée à un potentiel de réinitialisation positif Vref. La structure de multiplication MS comprend les grilles isolées GM1 et GM2 séparées par la zone semiconductrice ZS. Cette zone est constituée comme la photodiode (mais pas obligatoirement avec les mêmes dopages), par une région diffusée 34 de type N dans la couche active 12, cette région étant recouverte par une région superficielle 36 de type P+. Cette région 36 est maintenue au potentiel de référence zéro par exemple par le fait qu'elle touche, ce qu'on ne voit pas sur la figure 6, une région profonde de type P+ rejoignant le substrat, analogue à la région 15 qui touche la région 16 de la photodiode. La région ZS est à un potentiel interne dit potentiel de construction (en anglais "buit-in potential") fixé par le maintien de la région 36 au potentiel de référence de la couche active 12, ici celui du substrat 10.

La grille de transfert primaire G11 est une grille isolée de la couche active 12 ; elle est située entre la photodiode PH11 et la grille de multiplication GM1 et elle permet le transfert de charges de la photodiode vers la grille GM1. La grille de transfert secondaire G'2 est une grille isolée située 10 entre la grille de multiplication GM2 et le noeud de stockage ND2. Les grilles de multiplication GM1 et GM2 sont également des grilles isolées de la couche active. Elles sont séparées respectivement de la grille G11 et de la grille G'2 par un intervalle étroit (le plus étroit possible compte-tenu de la technologie utilisée) dans lequel le semiconducteur peut 15 ne pas être dopé spécifiquement, c'est-à-dire peut être constitué directement par la couche active 12. Des moyens de commutation de potentiel sont prévus pour appliquer directement aux grilles de multiplication GM1 et GM2 des potentiels hauts (supérieur à zéro) ou bas (inférieur à zéro) selon la phase de 20 transfert ou d'amplification concernée. Ces moyens de commutation ne sont pas représentés car ils ne sont pas situés dans le pixel. Pour le transfert de charges de la photodiode vers la grille de multiplication GM1, on abaisse le potentiel présent sous cette grille et sous la 25 grille de transfert primaire G11 en montant leur potentiel. La zone ZS à potentiel fixe constitue une barrière de potentiel qui empêche le passage de ces charges vers la grille GM2. Pour la multiplication de charges, on applique une multiplicité (plusieurs dizaines, centaines, ou même milliers) d'alternances de potentiels 30 en opposition de phase aux grilles GM1 et GM2 en laissant la zone ZS à un potentiel intermédiaire entre un potentiel haut et un potentiel bas de cette alternance. Les charges stockées sous la grille GM1 sont alternativement basculées de la grille GM1 vers la grille GM2 et réciproquement. Les champs électriques subis par les électrons sont suffisamment forts pour accélérer les 35 électrons et créer alors des paires électron-trou, donc des électrons supplémentaires à chaque alternance. Le gain d'électrons lors d'une alternance est très faible mais est multiplié par le nombre d'alternances. Le potentiel des grilles de transfert primaires et secondaires est un potentiel bas pendant la multiplication, créant une barrière de potentiel empêchant les charges de sortir de la structure de multiplication et confinant ces charges alternativement sous la grille GM1 et sous la grille GM2. A la fin de la multiplication les charges restent stockées sous la grille GM2 si on arrête l'alternance sur un potentiel haut de la grille GM2 ; elles pourraient rester stockées sous la grille GM1 dans le cas contraire. Si les charges restent sous la grille GM2, on porte la grille de transfert secondaire G'2 temporairement à un potentiel haut permettant le déversement des charges vers le noeud de stockage ND2 en vue de la lecture de ces charges par le transistor T4 et le transistor T5 selon un processus de lecture classique.15

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Capteur d'image matriciel comportant au moins deux lignes de pixels et comportant des moyens pour lire les pixels soit individuellement soit en regroupant les charges issues d'un groupe de quatre pixels adjacents appartenant à deux lignes adjacentes et deux colonnes adjacentes, comportant, pour le groupe de quatre pixels : - pour chaque pixel, une photodiode (PH11 à PH22) et une grille de transfert primaire (G11 à G22) permettant de transférer à l'extérieur de la photodiode les charges engendrées par la lumière dans la photodiode ; - deux grilles de multiplication d'électrons (GM1, GM2), la lo première grille de multiplication étant adjacente aux grilles de transfert des deux pixels d'une première colonne et la deuxième grille étant adjacente aux grilles de transfert primaire des deux autres pixels du groupe, appartenant à la deuxième colonne ; - des premiers moyens de lecture de charges, comprenant une 15 première région de stockage de charges (ND1) et une première grille de transfert secondaire (G'1) interposée entre la première grille de multiplication d'électrons et la première région de stockage de charges ; - des deuxièmes moyens de lecture de charges, comprenant une deuxième région de stockage de charges (ND2) et une deuxième grille de 20 transfert secondaire (G'2) interposée entre la deuxième grille de multiplication d'électrons et la deuxième région de stockage de charges ; - et des moyens de commande des potentiels appliqués aux grilles de transfert et aux grilles de multiplication, pour exécuter un mode de lecture simple et un mode de lecture regroupée, dans lesquels, 25 - en mode de lecture simple on transfère les charges des photodiodes des deux pixels de la première ligne respectivement vers la première grille de multiplication et vers la deuxième grille de multiplication, on transfère ensuite ces charges des grilles de multiplication respectivement vers les première et deuxième région de stockage de charges et on lit par les 30 premiers et deuxièmes moyens de lecture les charges présentes dans ces deux régions, puis on répète ces opérations pour les deux pixels de la deuxième ligne,3 - en mode de lecture regroupée, on transfère les charges des deux pixels de la première colonne dans la première grille de multiplication et les charges des deux pixels de la deuxième colonne dans la deuxième grille de multiplication et, ultérieurement, on transfère les charges présentes sous les grilles de multiplication vers l'une des régions de stockage, et on lit les charges présentes dans cette région.
2. 2. Capteur d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer aux deux grilles de multiplication une 10 alternance de potentiels en opposition de phase.
3. 3. Capteur d'image selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux grilles de multiplication sont séparées par une région intermédiaire (ZS) maintenue à un potentiel fixe pendant la multiplication 15 d'électrons.
4. 4. Capteur d'image selon la revendication 3, caractérisé en ce que la région intermédiaire est une diffusion de type N recouverte par une région superficielle de type P maintenue à un potentiel fixe. 20
5. 5. Capteur d'image selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne de structures de multiplication pour chaque ligne de pixels, et en ce qu'il y a pour chaque photodiode deux grilles de transfert primaires (fig.4) permettant de transférer des charges vers l'une 25 ou l'autre de deux structure de multiplication appartenant à deux lignes adjacentes.
6. 6. Capteur d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une colonne de structures de multiplication pour chaque 30 colonne de pixels, et en ce qu'il y a pour chaque photodiode quatre grilles de transfert primaires (fig.5) permettant de transférer des charges respectivement vers l'une de quatre structures de multiplication appartenant à deux lignes adjacentes et deux colonnes adjacentes. 35